第12天 质谱仪与回旋加速器-【寒假自学课】2024年高二物理寒假提升学与练（人教版2019）

第12天 质谱仪与回旋加速器 （预习篇） 目录 新知导航：熟悉课程内容、掌握知识脉络 基础知识：知识点全面梳理，掌握必备 小试牛刀：基础题+中等难度题，合理应用 1. 理解质谱仪各个部分的原理和作用，分析带电粒子的受力和运动情况 2. 理解带电粒子在回旋加速器中各个部分中的运动，利用相关规律解决问题 一、质谱仪 1.原理：如图所示。 2.加速：带电粒子离开粒子源A无初速度进入质谱仪的加速电场，由动能定理得： ＝mv2。 3.偏转：带电粒子进入质谱仪的偏转磁场做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力： ＝。 4.由(2)(3)中两式可以求出粒子的半径r、质量m、比荷等。其中由r＝可知电荷量相同时，半径将随质量变化。 5.质谱仪的应用：可以测定带电粒子的质量和分析同位素。 二．回旋加速器 1．构造：两个半圆形金属盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，两金属盒间接交流电源，如图所示。 2．原理：粒子源产生的带电粒子在两盒之间的电场加速，在金属盒内做匀速圆周运动。经 圆周之后，金属盒间电场反向，粒子又被加速。如此，粒子一次次被加速使速度增加到很大。 3．条件：高频交流电源的周期与带电粒子在D形盒中的运动周期相同。粒子每经过两金属盒缝隙时都被加速，其轨道半径就大一些，粒子做匀速圆周运动的周期 。 4．最大动能：由qvB＝和Ek＝mv2，联立解得Ek＝ (R为D形盒的半径)，即粒子在回旋加速器中获得的最大动能与q、m、B、R有关，与加速电压无关。 1．如图所示为质谱仪的原理示意图，现让某束离子（可能含有多种离子）从容器A下方的小孔无初速度飘入电势差为U的加速电场。经电场加速后垂直进入磁感应强度大小为B的匀强磁场中，在核乳胶片上形成a、b两条“质谱线”，则下列判断正确的是（　　） A．a、b谱线的对应离子均带负电 B．a谱线的对应离子的质量较大 C．b谱线的对应离子的质量较大 D．a谱线的对应离子的比荷较大 2．质谱仪可以用来分析同位素。如图所示，带电粒子先经过加速电场，然后进入速度选择器，速度选择器内存在相互垂直磁感应强度为B的匀强磁场和电场强度为E匀强电场。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A1A2，平板S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场。下列表说法确的是（   ） A．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里 B．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于 C．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小 D．同一带电粒子，磁感应强度B0越大，粒子打到胶片的位置越靠近狭缝P 3．[多选]一个用于加速质子的回旋加速器，其核心部分如图所示。D形盒半径为R，垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B，两盒分别与交流电源相连。设质子的质量为m、电荷量为q，则下列说法正确的是(　　) A．D形盒之间交变电场的周期为 B．质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大 C．质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大 4．如图所示是回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，分别与高频交流电源连接，两个D形金属盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两个D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，忽略粒子在电场中的运动时间，下列说法中正确的是（　　） A．粒子射出时的最大动能与D形金属盒的半径无关 B．加速电压越大，粒子最终射出时获得的动能就越大 C．若增大加速电压，粒子在回旋加速器中运动的时间将减少 D．若增大磁感应强度B，为保证粒子总被加速，必须减小周期性变化电场的频率 5．（多选）如图所示，质谱仪由两部分区域组成，左侧M、N是对水平放置的平行金属板，分别接到直流电源两极上，板间在较大范围内存在着电场强度为E的匀强电场和磁感应强度大小为的匀强磁场，右侧是磁感应强度大小为的另匀强磁场．一束带电粒子不计重力由左端射入质谱仪后沿水平直线运动，从点垂直进入右侧磁场后分成甲、乙两束，其运动轨迹如图所示，两束粒子最后分别打在乳胶片的、两个位置，、、三点在同一条整直线上，且则下列说法正确的是　　 A．两束粒子的速度都是 B．甲束粒子的比荷小于乙束粒子的比荷 C．若甲、乙两束粒子的电荷量相等，则甲、乙两束粒子的质量比为4：3 D．若甲、乙两束粒子的质量相等，则甲、乙两束粒子的电荷量比为4：3 6．（多选）某型号的回旋加速器的工作原理如图所示（俯视图），D形盒内存在匀强磁场，磁场的磁感应强度为B，D形盒半径为R，两盒间狭缝很小，带电粒子穿过狭缝的时间忽略不计。设氘核（）从粒子源A处射入加速电场的初速度不计，氘核质量为m、带电荷量为q，加速器接频率为f的高频交流电源，其电压为U，不计重力，不考虑相对论效应，下列正确的是（　　） A．氘核第1次经过狭缝被加速后进入D形盒