专题十一 主题三 带电粒子的运动在现代科技中的应用（Word教参）-【新高考方案】2024年高考物理二轮复习专题增分方略（新教材）

主题三　带电粒子的运动在现代科技中的应用 [原理图解·建模型] 装置 原理图 规律分析 质谱仪 带电粒子由静止被加速电场加速，qU＝mv2，在磁场中做匀速圆周运动，qvB＝m，则比荷＝ 回旋加速器 交流电源的周期和粒子做圆周运动的周期相等，粒子在做圆周运动过程中每次经过D形盒缝隙都会被加速。由qvB＝得Ekm＝＝ 速度选择器 若qv0B＝Eq，即v0＝，粒子做匀速直线运动 磁流体发电机 等离子体射入，受洛伦兹力偏转，使两极板分别带正、负电荷，两极板间电压为U时稳定，q＝qv0B，U＝v0Bd 电磁流量计 当q＝qvB时，有v＝，流量Q＝Sv＝π2＝ 霍尔元件 在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差，这个现象称为霍尔效应 [考法全训·用模型] 1．[质谱仪](多选)某种原子分析仪的部分工作原理如图所示，某中性气体分子进入电离室A，被电离成等离子体(其中包含有一价正离子和电子)，粒子从电离室缝S1飘出(飘出速度可视为0)，进入S1与S2之间的加速电场，加速后的粒子从缝S2垂直进入宽度d＝30 cm的匀强磁场，当双刀双掷开关的触刀掷向1、2时，粒子打在磁场上边界的底片上的P点，当双刀双掷开关的触刀掷向3、4时，粒子穿过磁场打在底片上的Q点，已知缝S2与P之间的距离为d1＝1.414 cm；缝S2与Q点间在平行S2P方向上距离为d2＝30 cm，假设中子的质量mn、质子质量mp、电子质量me，满足mn＝mp＝1 800me，根据以上信息，以下说法正确的是(　 ) A．触头1对应加速电压的负极 B．该气体的原子中具有的核子数为4 C．打在Q点的粒子动量小于打在P点的粒子动量 D．打在Q点与打在P点的粒子在磁场中的运动时间之比为1∶3 解析：选AB　当双刀双掷开关的触刀掷向1、2时，粒子打在P点，依左手定则判断出被加速的粒子为电子，S1接负极，故A正确；当双刀双掷开关的触刀掷向1、2时，电子在磁场中做匀速圆周运动的半径为r1＝d1＝0.707 cm，电子在电场中加速，eU＝mev12，在磁场中运动，ev1B＝，解得me＝。当双刀双掷开关的触刀掷向3、4时，正离子被加速，再从缝S2垂直进入匀强磁场，轨迹如图所示，根据几何关系，有r22＝(r2－d2)2＋d2，解得r2＝60 cm，设正离子的质量为m，同理得m＝，＝≈7 200，即m＝4mn，组成此气体原子的核子数为4，故B正确；两种粒子的加速电压相同，电荷量大小相同，所以进入磁场时动能相同，根据p＝，打在P点的电子质量小，所以其对应的动量也小，故C错误；由几何关系可知正离子在磁场中转过的角度是电子转过角度的三分之一，根据T＝可知，两种粒子周期不同，故运动时间之比不满足1∶3，故D错误。 2．[回旋加速器]如图所示，回旋加速器由两个D形金属盒组成，盒面与匀强磁场垂直，并接有高频交变电压。中心S处的粒子源产生初速度为零的质子，每次经过窄缝都被加速。已知质子的电荷量为q，质量为m，加速时电极间电压为U，磁场的磁感应强度大小为B，D形盒的半径为R。质子每次加速的时间可忽略，加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响。下列说法正确的是(　 ) A．高频交变电压的周期为 B．质子做圆周运动的半径越大周期越大 C．质子能获得的最大动能与R2成正比 D．质子能获得的最大动能与U成正比 解析：选C　加速电压的周期等于质子在磁场中运动的周期，即T＝，故A错误；根据A选项分析可知，周期与半径无关，故B错误；根据qvB＝m，Ek＝mv2，质子射出时的动能Ek＝mv2＝，质子能获得的最大动能与R2成正比，与U无关，故C正确，D错误。 3．[速度选择器]如图所示，在两块平行金属板间存在竖直向下的匀强电场和垂直于纸面向里的匀强磁场(磁场未画出)。现有两种带电粒子M、N分别以同样的速度v从左端沿两板间的中线射入，都能沿直线从右端射出，不计粒子重力。以下说法正确的是(　 ) A．带电粒子M、N的电性一定相同 B．带电粒子M、N的电量一定相同 C．撤去电场仅保留磁场，M、N做圆周运动的半径一定相等 D．撤去磁场仅保留电场，M、N若能通过场区，则通过场区的时间相等 解析：选D　根据左手定则可知，无论粒子带何种电荷，受到的洛伦兹力和电场力的方向总是相反，满足qvB＝qE，即v＝，故可看出粒子能否沿直线射出只与速度有关，与电性和电量无关，故A、B错误；撤去电场后，粒子在剩下的磁场中做匀速圆周运动，有qvB＝m，可得R＝，两个粒子的比荷不一定相同，则运动的半径不一定相同，故C错误；撤去磁场后，两粒子在电场中做类平抛运动，则水平方向做匀速直线运动，若能穿过场区，由l＝vt，可知两粒子通过场区的时间相等，