1.4质谱仪和回旋加速器-2023-2024学年高二物理举一反三系列（人教版2019选择性必修第二册）

1.4质谱仪和回旋加速器原卷版 目录 一、 【质谱仪知识点梳理】 1 二、 【回旋加速器知识点梳理】 9 1、 【质谱仪知识点梳理】 1. 构造：如图，由粒子源、加速电场、加速电场、偏转磁场和照相底片构成 2. 原理：粒子由静止在加速电场中被加速，根据动能定理可得关系式.粒子在磁场中受洛伦兹力偏转，做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律得关系式 。由以上两式可得出需要研究的物理量，如粒子轨道半径、粒子质量、比荷 、 、 【质谱仪举一反三练习】 1．质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量。让氢的三种同位素的离子流从容器A下方的小孔S无初速度进入电势差为U的加速电场，加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，氢的三种同位素分别为氕（即为质子）、氘（质量约为质子的2倍，电荷量与质子相同）、氚（质量约为质子的3倍，电荷量与质子相同），最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”。则下列判断正确的是（    ）    A．进入磁场时速度从小到大排列的顺序是氕、氘、氚 B．进入磁场时动能从大到小排列的顺序是氕、氘、氚 C．在磁场中运动时间由小到大排列的顺序是氕、氘、氚 D．a、b、c三条“质谱线”依次排列的顺序是氕、氘、氚 2．如图所示是质谱仪的工作原理示意图。质量为m带电量为q粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片。平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场。求： （1） 粒子在速度选择器中能沿直线运动的速度大小？ （2） 加速电场的电压U0是多少？ （3） 粒子在磁场中运动的轨迹半径为？    3．某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，为粒子加速器，加速电压为；为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为，两板间距离为d；为偏转分离器，磁感应强度为。今有一质量为、电荷量为的正粒子（不计重力），经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动。求： （1）粒子的速度为多少？ （2）速度选择器两板间电压为多少？ （3）粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为多大？      4．（多选）如图所示，有a、b、c、d四个离子，它们带等量的同种电荷，质量不等，ma=mb<mc＝md，以不等的速度va<vb=vc<vd进入速度选择器后，有两种离子从速度选择器中射出，进入B2磁场，由此可判定（　　）      A．射到A1的是a离子 B．射到A1的是b离子 C．射到A2的是c离子 D．射到A2的是d离子 5．（多选）如图所示，含有、、的带电粒子束从小孔O1处射入速度选择器，沿直线O1O2运动的粒子在小孔O2处射出后垂直进入偏转磁场，最终打在P1、P2两点，则（　　）    A．打在P1点的粒子是 B．打在P2点的粒子是和 C．O2P2的长度是O2P1长度的2倍 D．粒子在偏转磁场中运动的时间都相等 6．（多选）如图所示为质谱仪的结构图，该质谱仪由两部分组成，速度选择器与偏转磁场，已知速度选择器中的磁感应强度大小为、电场强度大小为E，荧光屏下方磁场的方向垂直纸面向外，磁感应强度大小为，三种电荷量均为q、质量不同的粒子沿竖直方向经速度选择器由荧光屏上的狭缝O进入偏转磁场，最终粒子分别打在荧光屏上的、、位置处，相对应的三种粒子的质量分别为、、（三种粒子的质量均未知），忽略粒子的重力以及粒子间的相互作用，则下列说法正确的是（　　）    A．如果M板带正电，则速度选择器中磁场方向垂直纸面向外 B．打在位置的粒子速度最大 C．打在位置的粒子质量最大 D．如果，则 7．（多选）如图所示为一种质谱仪示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成。若静电分析器通道中心线的半径为R，通道内均匀辐射电场在中心线处的电场强度大小为E，磁分析器有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向外。一质量为m、电荷量为q的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由P点垂直边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q点，不计粒子重力，下列说法正确的是（　　）    A．加速电场的电压 B．极板M比极板N电势高 C．直径 D．若一群离子从静止开始经过上述过程都落在胶片上同一点，则该群离子有相同的质量 2、 【回旋加速器知识点梳理】 1. 构造：如图是半圆形金属盒，形盒的缝隙处接交流电源，形盒处于匀强磁场中 2. 原理：交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等，粒子经电场加速，经磁场回旋，由，得 ， 可见粒子获得的最大动能由磁感应强度和形盒半径决定，与加速电压无关 【回旋加速器举一反三练习】 8．回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两