第3节 洛伦兹力的应用（导学案） 物理鲁科版选择性必修第二册

3. 洛伦兹力的应用 导学案 物理观念 能明确洛伦兹力在显像管、回旋加速器、质谱仪、磁流体发电机等设备中的核心作用，理解设备工作时洛伦兹力（或其分力）对粒子运动的影响，深化“洛伦兹力→粒子运动状态改变→技术应用”的物理认知。 科学思维 能通过分析回旋加速器中粒子加速与偏转的过程，推导粒子最大动能与磁场、D形盒半径的关系；结合质谱仪原理，解释如何通过粒子偏转轨迹计算比荷，提升理论推导与技术原理拆解能力。 科学探究 能参与“模拟洛伦兹力应用”实验（如用磁场、带电粒子源演示粒子偏转，或分析质谱仪工作示意图），观察粒子运动轨迹随磁场、速度的变化，验证洛伦兹力对粒子运动的调控作用，提高实验分析与原理应用能力。 科学态度 与责任 通过了解洛伦兹力应用技术在医疗诊断（如肿瘤放疗加速器）、材料分析（如质谱仪测元素成分）、能源探索（如磁流体发电）等领域的贡献，认识物理规律对科技革新的推动作用，培养运用物理知识关注科技发展、服务社会的责任意识。 重点：理解显像管、回旋加速器、质谱仪的工作原理及洛伦兹力的作用。 难点：推导回旋加速器粒子最大动能公式及分析磁流体发电原理。 【知识回顾】 一、带电粒子的加速 1．基本粒子的受力特点：对于质量很小的微观粒子，如电子、质子等，它们受到重力的作用一般远小于静电力，故可以忽略。 2．带电粒子的加速 (1)运动分析：带电粒子从静止释放，将沿电场力方向在匀强电场中做匀加速运动。 (2)末速度的大小：根据qU＝mv2，得v＝。 二、带电粒子的偏转 1．如图所示，质量为m、带电荷量为q的基本粒子(忽略重力)，以初速度v0平行于两极板进入匀强电场，极板长为l，极板间距离为d，极板间电压为U。 (1)运动性质 ①沿初速度方向：速度为v0的匀速直线运动。 ②垂直v0的方向：初速度为零的匀加速直线运动。 (2)运动规律 偏移距离：因为t＝，a＝，所以偏移距离 y＝at2＝。 三、带电粒子在磁场中做圆周运动的半径和周期 1．带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径 (1)粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与它的质量、速度成正比，与电荷量、磁感应强度成反比。 (2)公式：r＝。 2．带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期 (1)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期跟轨道半径和运动速度无关。 (2)公式：T＝。 【自主预习】 一、显像管 1．显像管的构造：电子枪、偏转线圈和荧光屏。 2．显像管的原理 (1)电子枪发射电子。 (2)电子束在磁场中偏转。 (3)荧光屏被电子束撞击发光。 3．扫描：在偏转区的水平方向和竖直方向都有偏转磁场，其方向、强弱都在不断变化，使得电子束打在荧光屏上的光点不断移动，这在显示技术中叫作扫描。 二、质谱仪 1．原理：如图所示，带电粒子经加速电场加速后垂直于磁场方向进入匀强磁场，最后打在照相底片上，不同质量的粒子在照相底片上位置不同。 2．加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场被加速，由动能定理得mv2＝qU，由此可知v＝ 。 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，有qvB＝。 4．结论：r＝，测出粒子做匀速圆周运动的轨道半径r，可算出粒子的质量m或比荷。 5．应用：可以测定带电粒子的质量和分析同位素。 三、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被电场加速，在金属盒内做匀速圆周运动。经半个圆周之后，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不变。 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。 【思考交流1】 粒子束武器主要由能源，粒子源，粒子加速器，目标识别、跟踪、自动扫描系统以及指挥控制系统等组成，关键部分是产生高能粒子束的粒子加速器。加速器将粒子源产生的电子、质子或光子加速到近光速，并用磁场把粒子聚集成密集的束流，直接或去掉电荷后发射出去，在极短的时间内将极大的能量传给目标，使其毁坏或失效。你知道“光速神枪”的来龙去脉吗？ 【问题体验1】 电视机是一种必备的家用电器，电视机显像原理是电子流撞击荧光屏，使之发亮而产生图像，请欣赏电视机显像管结构及显像管原理示意图。 电视机显像管中的电子只是细细的一束，为什么能使整个屏幕发光？ 洛伦兹力的方向与粒子的运动速度方向垂直，当粒子在磁场中运动时，粒子受到洛伦兹力的作用，从而发生偏转。显像管电视机中就应用了电子束磁偏转的原理。 【问题体验2】质谱仪 1．发明人：英国物理学家阿斯顿 2．作用：测定带电粒子的比荷、分离和检测同位素。 3．结构： 4．原理：带电粒子经加速电场加速后，沿着与磁场垂直的方向进入匀强磁场中，最后打到照相底片上。从粒子打在底片上的位置可以测出圆周的半径，进而可以算出粒子的比荷。电荷量相同而质量不同的粒子将沿着不同的半径做圆周运动，因而被分开，并打到照相底片的不同位置。 5．工作过程： （1）加速电场：初速度为零的带电粒子进入加速电场后被加速。 由动能定理，有，解得。 （2）速度选择器： 测量带电粒子的比荷时，利用速度选择器确保只有特定速度的粒子能进入偏转磁场。在速度选择器中，由，可得。 分离和检测同位素时，不需要速度选择器。 （3）偏转磁场：带电粒子进入偏转磁场后做匀速圆周运动，向心力由洛伦兹力充当，即，可得。 （4）结论：通过测量带电粒子进入磁场的位置与打到照相底片上的位置之间的距离L，即匀速圆周运动的直径，可计算得到粒子的比荷，或某种同位素粒子的质量。 【问题体验3】回旋加速器 复习：直线加速器： ①原理：利用加速电场对带电粒子做正功使其动能增加，。 ②多级加速器： ③缺点：占用的空间大，在有限的空间内制造直线加速器有一定的限制。 1．发明人：美国物理学家劳伦斯 2．作用：产生高能粒子。 3．结构：两个D形金属扁盒，在其上加有磁场和交变的电场，两个D形盒缝隙中心附近有离子源。 电场的作用：加速带电粒子。磁场的作用：偏转带电粒子的运动方向。 　　　　 4．原理：带电粒子在电场中被加速，然后在磁场中做匀速圆周运动，完成半个圆周后，再次进入反向的电场并被加速，以此往复。半圆轨迹的半径随着带电粒子速度的增大而增大，直到带电粒子飞出回旋加速器。 【归纳总结1】回旋加速器的细节 （1）加速条件：交流电源的周期与带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期相同，即。 （2）带电粒子每运动一个周期，被加速两次。 （3）带电粒子每次经过加速后，匀速圆周运动的半径之比为。 推导：每次加速后，粒子的动能增加。 第2次加速后粒子的动能为， 第3次加速后粒子的动能为， …… 第n次加速后粒子的动能为 又∵ ∴。 （4）带电粒子做圆周运动的最大半径等于圆形盒的半径： （5）带电粒子获得的最大出场速度： （6）带电粒子获得的最大出场动能：，与加速电压无关，与D形盒的半径R、磁感应强度B有关。 （7）加速次数： 1.物理学家霍尔于1879年在实验中发现，当电流垂直于磁场通过导体或半导体材料左右两个端面时，在材料的上下两个端面之间会产生电势差，这一现象被称为霍尔效应，产生这种效应的元件叫霍尔元件，在现代技术中被广泛应用．如图为霍尔元件的原理示意图，其霍尔电压与电流和磁感应强度的关系可用公式表示，其中叫该元件的霍尔系数．根据你所学过的物理知识，判断下列说法正确的是（　　） A．霍尔元件上表面电势一定高于下表面电势 B．公式中的指元件上下表面间的距离 C．霍尔系数是一个没有单位的常数 D．霍尔系数的单位是 【答案】D 【详解】A．因载流子的电性不确定，故无法比较上下表面的电势高低，故A错误； B．对于 公式中的指元件前后侧面间的距离，故B错误； CD．依据公式，并结合的单位，可得霍尔系数的单位是，故C错误，D正确。 故选D。 2.下图为显像管原理剖面示意图，电子枪发射电子束，在没有磁场时电子束打在荧光屏正中的O点。通过安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场可以使电子束发生偏转，关于偏转磁场与电子束偏转情况说法正确的是（　　） A．要使电子束在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，偏转磁场应竖直向上 B．要使电子束在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，偏转磁场应垂直纸面向外 C．要使电子束打在荧光屏上的位置由B点逐渐向A点移动，偏转磁场的强度应逐渐减小 D．要使电子束打在荧光屏上的位置由B点逐渐向A点移动，偏转磁场的强度应逐渐增加 【答案】B 【详解】AB．要使电子束在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，根据左手定则可知，偏转磁场应垂直纸面向外，故A错误，B正确； CD．粒子在偏转磁场中，由洛伦兹力提供向心力得 可得 要使电子束打在荧光屏上的位置由B点逐渐向A点移动，电子做圆周运动的半径先变大后变小，偏转磁场的磁感应强度应减小，再反向增大，故CD错误。 故选B。 3.医用回旋加速器工作原理示意图如图甲所示，其工作原理是：带电粒子在磁场和交变电场的作用下，反复在磁场中做回旋运动，并被交变电场反复加速，达到预期所需要的粒子能量，通过引出器引出后，轰击靶材料上，获得所需要的核素。时，回旋加速器中心部位处的灯丝释放的带电粒子在回旋加速器中的运行轨道和加在间隙间的高频交流电压如图乙所示。忽略粒子经过间隙的时间和相对论效应，则（　　） A．被加速的粒子带正电 B．高频交流电压的周期等于粒子在D形盒磁场中圆周运动周期的一半 C．粒子被加速的最大动量大小与D形盒的半径无关 D．带电粒子在D形盒中被加速次数与交流电压有关 【答案】D 【详解】A．由题图乙可知时，粒子向右加速，故被加速的粒子带负电，故A错误； B．粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期与交流电压的周期相等，故B错误； C．根据 可知粒子被加速的最大动量大小与D形盒的半径R有关，故C错误； D．根据 因为 联立解得 可知带电粒子在D形盒中被加速次数n与交流电压有关，故D正确。 故选D。 4.如图所示是磁流体发电机的示意图，两平行金属板、之间有一个很强的磁场一束等离子体（高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子）沿垂直于磁场方向喷入磁场。将、与电阻相连接。下列说法正确的是（　　） A．板的电势低于板的电势 B．通过的电流方向由指向 C．若只改变磁场强弱，通过的电流保持不变 D．若只增大粒子入射速度，通过的电流不变 【答案】B 【详解】A．根据左手定则可知，正电荷偏向P板，P板电势高于Q板的电势，A错误； B．由于P板带正电，相当于磁流体发电机的正极，所以通过R的电流方向由a指向b，B正确； CD．粒子稳定时，则有 解得 根据欧姆定律可得电路中的电流 其中r为磁流体发电机的内阻，由此可知改变磁场强弱、粒子的入射速度，通过的电流随之改变，CD错误。 故选B。 5.阿斯顿用质谱仪发现了氖-20和氖-22，证实了同位素的存在。如图所示，大量氖-20和氖-22原子核从容器A下方的狭缝飘入（初速度为零）电场区，经电场加速后通过狭缝、垂直于磁场边界MN射入匀强磁场，最终到达照相底片D上。加速电场电压变化范围是，氖-20和氖-22打在照相底片上的区域恰好不重叠，则（　　） A． B． C． D． 【答案】B 【详解】经过加速电场之后，由动能定理可得 进入磁场之后，由洛伦兹力提供向心力 联立可得 氖-22的相对原子质量较大，运动半径较大，结合题目可得最小运动半径 氖-20的相对原子质量较小，运动半径较小，结合题目可得最大运动半径 若氖-20和氖-22打在照相底片上的区域恰好不重叠，则有，代入解得 故选B。 6.国内首台紧凑型加速器质谱仪（Accelerator mass spectrometry，简称AMS）在离子源处引出负离子，在串列加速器中间部分利用剥离膜将负离子剥离成正离子，在另一加速管中继续加速后（剥离器两侧的加速器完全对称），通过加有匀强磁场的圆弧形磁分析系统，到达核探测器，可鉴别同量异位素，图为串列加速器质谱仪示意图。AMS可实现碳-14、铝-26、碘-129、铀-236等十余种核素的高效与高灵敏分析，相关技术指标达到国际领先水平。 (1)如图的串列加速器靠近中间剥离器的B电极相比于两端的A电极是高压电极还是低压电极？为什么？ (2)若离子源出来的负离子具有初动能为0.01MeV，剥离器左边的加速器能提供总加速电压为电荷量为3e的负离子加速，剥离后这些离子变成电荷量为3e的正离子，求这种离子进入磁分析系统时的动能。 (3)若碳-14和氮-14进入剥离器前都带-1e电荷量，经过电荷剥离器后核外电子全部剥离，只剩下原子核。加速器AB能提供电压为U的总加速电压使离子加速，忽略离子源出来进入串列加速器之前的离子的初动能，若磁分析系统内有垂直纸面的匀强磁场，磁感应强度为B。求碳-14和氮-14在磁分析器中运动的半径之比。（答案可以用根号表示） 【答案】(1)高压电极，因为剥离器之前的加速器加速负离子，剥离器之后的加速器加速正离子 (2)(3) 【详解】（1）靠近中间剥离器的B电极是高压电极。 因为剥离器之前的加速器加速负离子，剥离器之后的加速器加速正离子。 （2）剥离器两侧的加速器给离子加速，根据动能定理有 解得 （3）在加速电场中，根据动能定理可得C-14、N-14进入磁分析系统前的动能分别为 ， 又 磁分析系统中原子核做匀速圆周运动 解得 可得C-14、N-14在磁场做匀速圆周运动的半径分别为， 解得 知识梳理与关联 方法与能力提升 疑问与拓展 自我评估 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $ 3. 洛伦兹力的应用 导学案 物理观念 能明确洛伦兹力在显像管、回旋加速器、质谱仪、磁流体发电机等设备中的核心作用，理解设备工作时洛伦兹力（或其分力）对粒子运动的影响，深化“洛伦兹力→粒子运动状态改变→技术应用”的物理认知。 科学思维 能通过分析回旋加速器中粒子加速与偏转的过程，推导粒子最大动能与磁场、D形盒半径的关系；结合质谱仪原理，解释如何通过粒子偏转轨迹计算比荷，提升理论推导与技术原理拆解能力。 科学探究 能参与“模拟洛伦兹力应用”实验（如用磁场、带电粒子源演示粒子偏转，或分析质谱仪工作示意图），观察粒子运动轨迹随磁场、速度的变化，验证洛伦兹力对粒子运动的调控作用，提高实验分析与原理应用能力。 科学态度 与责任 通过了解洛伦兹力应用技术在医疗诊断（如肿瘤放疗加速器）、材料分析（如质谱仪测元素成分）、能源探索（如磁流体发电）等领域的贡献，认识物理规律对科技革新的推动作用，培养运用物理知识关注科技发展、服务社会的责任意识。 重点：理解显像管、回旋加速器、质谱仪的工作原理及洛伦兹力的作用。 难点：推导回旋加速器粒子最大动能公式及分析磁流体发电原理。 【知识回顾】 一、带电粒子的加速 1．基本粒子的受力特点：对于质量很小的微观粒子，如电子、质子等，它们受到重力的作用一般 静电力，故可以 。 2．带电粒子的加速 (1)运动分析：带电粒子从静止释放，将沿 方向在匀强电场中做匀加速运动。 (2)末速度的大小：根据qU＝mv2，得v＝ 。 二、带电粒子的偏转 1．如图所示，质量为m、带电荷量为q的基本粒子(忽略重力)，以初速度v0平行于两极板进入匀强电场，极板长为l，极板间距离为d，极板间电压为U。 (1)运动性质 ①沿初速度方向：速度为 的 运动。 ②垂直v0的方向：初速度为 的匀加速直线运动。 (2)运动规律 偏移距离：因为t＝，a＝，所以偏移距离 y＝at2＝ 。 三、带电粒子在磁场中做圆周运动的半径和周期 1．带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径 (1)粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与它的质量、速度成 ，与电荷量、磁感应强度成 。 (2)公式：r＝ 。 2．带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期 (1)带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期跟轨道半径和运动速度 。 (2)公式：T＝ 。 【自主预习】 一、显像管 1．显像管的构造：电子枪、 和荧光屏。 2．显像管的原理 (1)电子枪 。 (2)电子束在磁场中 。 (3)荧光屏被电子束撞击发光。 3．扫描：在偏转区的水平方向和竖直方向都有偏转磁场，其方向、强弱都在 ，使得电子束打在荧光屏上的光点不断移动，这在显示技术中叫作扫描。 二、质谱仪 1．原理：如图所示，带电粒子经加速电场加速后垂直于磁场方向进入匀强磁场，最后打在照相底片上，不同质量的粒子在照相底片上位置不同。 2．加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场被加速，由动能定理得mv2＝ ，由此可知v＝ 。 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，有 ＝。 4．结论：r＝ ，测出粒子做匀速圆周运动的轨道半径r，可算出粒子的质量m或比荷。 5．应用：可以测定带电粒子的质量和分析 。 三、回旋加速器 1．构造：两个半圆形 处于与盒面垂直的匀强磁场中，两金属盒间接 电源，如图所示。 2．原理：粒子源产生的带电粒子在 被电场加速，在金属盒内做匀速圆周运动。经 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 (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。 【思考交流1】 粒子束武器主要由能源，粒子源，粒子加速器，目标识别、跟踪、自动扫描系统以及指挥控制系统等组成，关键部分是产生高能粒子束的粒子加速器。加速器将粒子源产生的电子、质子或光子加速到近光速，并用磁场把粒子聚集成密集的束流，直接或去掉电荷后发射出去，在极短的时间内将极大的能量传给目标，使其毁坏或失效。你知道“光速神枪”的来龙去脉吗？ 【问题体验1】显像管 电视机是一种必备的家用电器，电视机显像原理是电子流撞击荧光屏，使之发亮而产生图像，请欣赏电视机显像管结构及显像管原理示意图。 电视机显像管中的电子只是细细的一束，为什么能使整个屏幕发光？ 【问题体验2】质谱仪 1．发明人：英国物理学家阿斯顿 2．作用：测定带电粒子的__________、分离和检测__________。 3．结构： 4．原理：带电粒子经__________加速后，沿着与磁场__________的方向进入匀强磁场中，最后打到照相底片上。从粒子打在底片上的位置可以测出__________，进而可以算出粒子的__________。电荷量相同而质量不同的粒子将沿着__________做圆周运动，因而被__________，并打到照相底片的__________位置。 5．工作过程： （1）加速电场：初速度为零的带电粒子进入加速电场后被加速。 由动能定理，有____________________，解得__________。 （2）速度选择器： 测量带电粒子的比荷时，利用速度选择器确保只有特定速度的粒子能进入偏转磁场。在速度选择器中，由____________________，可得__________。 分离和检测同位素时，__________速度选择器。 （3）偏转磁场：带电粒子进入偏转磁场后做匀速圆周运动，向心力由洛伦兹力充当，即____________________，可得__________________________________________________。 （4）结论：通过测量带电粒子进入磁场的位置与打到照相底片上的位置之间的距离L，即__________，可计算得到粒子的比荷____________________，或某种同位素粒子的质量____________________。 【问题体验3】回旋加速器 复习：直线加速器： ①原理：利用加速电场对带电粒子做__________使其动能__________，____________________。 ②多级加速器：______________________________ ③缺点：占用的空间大，在有限的空间内制造直线加速器有一定的限制。 1．发明人：美国物理学家劳伦斯 2．作用：产生高能粒子。 3．结构：两个D形金属扁盒，在其上加有__________和__________，两个D形盒缝隙中心附近有离子源。 电场的作用：____________________。磁场的作用：______________________________。 　　　　 4．原理：带电粒子在__________中被加速，然后在磁场中做__________，完成__________后，再次进入__________并被加速，以此往复。半圆轨迹的半径随着带电粒子速度的增大而__________，直到带电粒子飞出回旋加速器。 【归纳总结1】回旋加速器的细节 （1）加速条件：____________________与______________________________相同，即__________。 （2）带电粒子每运动一个周期，被加速__________。 （3）带电粒子每次经过加速后，匀速圆周运动的半径之比为____________________。 推导：每次加速后，粒子的动能增加____________________。 第2次加速后粒子的动能为____________________， 第3次加速后粒子的动能为____________________， 第n次加速后粒子的动能为____________________ 又∵__________ ∴______________________________ （4）带电粒子做圆周运动的最大半径等于____________________：____________________ （5）带电粒子获得的最大出场速度：____________________ （6）带电粒子获得的最大出场动能：____________________，与__________无关，与__________、__________有关。 （7）加速次数：__________ 1.物理学家霍尔于1879年在实验中发现，当电流垂直于磁场通过导体或半导体材料左右两个端面时，在材料的上下两个端面之间会产生电势差，这一现象被称为霍尔效应，产生这种效应的元件叫霍尔元件，在现代技术中被广泛应用．如图为霍尔元件的原理示意图，其霍尔电压与电流和磁感应强度的关系可用公式表示，其中叫该元件的霍尔系数．根据你所学过的物理知识，判断下列说法正确的是（　　） A．霍尔元件上表面电势一定高于下表面电势 B．公式中的指元件上下表面间的距离 C．霍尔系数是一个没有单位的常数 D．霍尔系数的单位是 2.下图为显像管原理剖面示意图，电子枪发射电子束，在没有磁场时电子束打在荧光屏正中的O点。通过安装在管颈的偏转线圈产生偏转磁场可以使电子束发生偏转，关于偏转磁场与电子束偏转情况说法正确的是（　　） A．要使电子束在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，偏转磁场应竖直向上 B．要使电子束在竖直方向偏离中心，打在荧光屏上的A点，偏转磁场应垂直纸面向外 C．要使电子束打在荧光屏上的位置由B点逐渐向A点移动，偏转磁场的强度应逐渐减小 D．要使电子束打在荧光屏上的位置由B点逐渐向A点移动，偏转磁场的强度应逐渐增加 3.医用回旋加速器工作原理示意图如图甲所示，其工作原理是：带电粒子在磁场和交变电场的作用下，反复在磁场中做回旋运动，并被交变电场反复加速，达到预期所需要的粒子能量，通过引出器引出后，轰击靶材料上，获得所需要的核素。时，回旋加速器中心部位处的灯丝释放的带电粒子在回旋加速器中的运行轨道和加在间隙间的高频交流电压如图乙所示。忽略粒子经过间隙的时间和相对论效应，则（　　） A．被加速的粒子带正电 B．高频交流电压的周期等于粒子在D形盒磁场中圆周运动周期的一半 C．粒子被加速的最大动量大小与D形盒的半径无关 D．带电粒子在D形盒中被加速次数与交流电压有关 4.如图所示是磁流体发电机的示意图，两平行金属板、之间有一个很强的磁场一束等离子体（高温下电离的气体，含有大量正、负带电粒子）沿垂直于磁场方向喷入磁场。将、与电阻相连接。下列说法正确的是（　　） A．板的电势低于板的电势 B．通过的电流方向由指向 C．若只改变磁场强弱，通过的电流保持不变 D．若只增大粒子入射速度，通过的电流不变 5.阿斯顿用质谱仪发现了氖-20和氖-22，证实了同位素的存在。如图所示，大量氖-20和氖-22原子核从容器A下方的狭缝飘入（初速度为零）电场区，经电场加速后通过狭缝、垂直于磁场边界MN射入匀强磁场，最终到达照相底片D上。加速电场电压变化范围是，氖-20和氖-22打在照相底片上的区域恰好不重叠，则（　　） A． B． C． D． 6.国内首台紧凑型加速器质谱仪（Accelerator mass spectrometry，简称AMS）在离子源处引出负离子，在串列加速器中间部分利用剥离膜将负离子剥离成正离子，在另一加速管中继续加速后（剥离器两侧的加速器完全对称），通过加有匀强磁场的圆弧形磁分析系统，到达核探测器，可鉴别同量异位素，图为串列加速器质谱仪示意图。AMS可实现碳-14、铝-26、碘-129、铀-236等十余种核素的高效与高灵敏分析，相关技术指标达到国际领先水平。 (1)如图的串列加速器靠近中间剥离器的B电极相比于两端的A电极是高压电极还是低压电极？为什么？ (2)若离子源出来的负离子具有初动能为0.01MeV，剥离器左边的加速器能提供总加速电压为电荷量为3e的负离子加速，剥离后这些离子变成电荷量为3e的正离子，求这种离子进入磁分析系统时的动能。 (3)若碳-14和氮-14进入剥离器前都带-1e电荷量，经过电荷剥离器后核外电子全部剥离，只剩下原子核。加速器AB能提供电压为U的总加速电压使离子加速，忽略离子源出来进入串列加速器之前的离子的初动能，若磁分析系统内有垂直纸面的匀强磁场，磁感应强度为B。求碳-14和氮-14在磁分析器中运动的半径之比。（答案可以用根号表示） 知识梳理与关联 方法与能力提升 疑问与拓展 自我评估 1 / 2 学科网（北京）股份有限公司 $