(习题)3.9粒子速度选择器-质谱仪-回旋加速器
一 粒子速度选择器练习
如图，粒子以速度v 0，进入正交的电场和磁场，受到的电场力与洛伦兹力方向相反，若使粒子沿直线从右边孔中出去，根据qv 0B ＝qE , 得v 0=E/B ，故 %
若v= v 0=E/B ，粒子做直线运动，与粒子电量、电性、质量无关
若v ＜E/B ，电场力大，粒子向电场力方向偏，电场力做正功，动能增加． 若v ＞E/B ，洛伦兹力大，粒子向磁场力方向偏，电场力做负功，动能减少．
速度选择器的特点是:(1)只选速度,不选电性.即不管是带正电还是带负电,只要初速度满足一定的关系,粒子均能直线飞出. (2)单向性:粒子只能从一个方向打入,另外一个方向飞出.
1. (单) 如图，水平放置的平行金属板a 、b 带有等量异种电荷，a 板带正电，两板间有垂直于纸面向里的匀强磁场，若一个带正电的液滴在两板间做直线运动，其运动方向是：( D ) A ．沿竖直方向向下 B ．沿竖直方向向上 *
C ．沿水平方向向左
D ．沿水平方向向右
2(双)在图中实线框所围的区域内同时存在匀强磁场和匀强电场．一负离子（不计重力）恰好能沿直线MN 通过这一区域．则匀强磁场和匀强电场的方向不可能为下列哪种情况（ AD ） A 、匀强磁场和匀强电场的方向都水平向右
B 、匀强磁场方向竖直向上，匀强电场方向垂直于纸面向里
C 、匀强磁场方向垂直于纸面向里，匀强电场方向竖直向下
D 、匀强磁场方向垂直于纸面向外，匀强电场方向竖直向下
3(双)、一质子以速度V 穿过互相垂直的电场和 磁场区域而没有发生偏转，则 （ BD ） A 、若电子以相同速度V 射入该区域，将会发生偏转 B 、无论何种带电粒子，只要以相同速度射入都不会发生偏转 C 、若质子的速度V' D 、若质子的速度V'>V ，它将向上偏转，其运动轨迹既不是圆弧也不是抛物线 , 4(双)如图，氕、氘、氚核以相同的动能射入速度选择器，结果氘核沿直线运动，则 ( AD ) A ．偏向正极板的是氕核 B ．偏向正极板的是氚核 C ．射出时动能最大的是氕核 D ．射出时动能最大的是氚核 × × × × × × × × × × × × × × × v 0 B E 图11-3-1 a b B M N · V + -- ￥ 二.质谱仪 组成：离子源O ，加速场U ，速度选择器（E,B ），偏转场B2，胶片． 原理：加速场中qU= ?mv 2 选择器中:v=E/B 1 偏转场中:d ＝2r ，qvB 2＝mv 2/r 比荷:12 2q E m B B d = 质量 122B B dq m E = 作用：主要用于测量粒子的质量、比荷、研究同位素． 5(单)如图带电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A1A2。平板S 下方有强度为B0的匀强磁场。下列表述不正确的是（ D ） A ．质谱仪是分析同位素的重要工具 ， B ．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 C ．能通过狭缝P 的带电粒子的速率等于E/B D ．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P ，粒子的荷质比越小 7(单)如图所示，有a 、b 、c 、d 四种离子，它们带等量同种电荷，质量不等， d c b a m m m m =<=， 以不等的速率d c b a v v v v <=<进入速度选择器后，有两种从速度选择器中射出，进入B2磁场，由此可判 定 ( A ) A ．射向P1的是a 离子 B ．射向P2的是b 离子 C ．射到A1的是c 离子 D ．射到A2的是d 离子 ] 8(双)关于回旋加速器加速带电粒子所获得的能量，下列结论中正确的是 ( AB ) A ．与加速器的半径有关，半径越大，能量越大 B ．与加速器的磁场有关，磁场越强，能量越大 C ．与加速器的电场有关，电场越强，能量越大 D ．与带电粒子的质量和电荷量均有关，质量和电荷量越大，能量越大 9(单)用同一回旋加速器分别对质子和氚核(H 3 1 )加速后 （ A ） 《 A ．质子获得的动能大于氚核获得的动能 B ．质子获得的动能等于氚核获得的动能 C ．质子获得的动能小于氚核获得的动能 D ．质子获得的动量等于氚核获得的动量 10(双)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极相连接的两个D 形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D 形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是 ( BD ) A ．增大匀强电场间的加速电压 B ．增大磁场的磁感应强度 C ．减小狭缝间的距离 D ．增大D 形金属盒的半径 : B 11(单)如果用同一回旋加速器分别加速氚核（3 1H）和a粒子( 4 2He)，比较它们所加的高频交流电源的周期 和获得的最大动能的大小，可知( A ) A．加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能较小 B．加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能也较大 C．加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能也较小 ~ D．加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能较大 四磁流体发电机 目前我国正在研制一种新型发电机，叫做磁流体发电机. 如图所示是它的原理图. 将一束等离子体（即高温下电离的气体，含有大量带正电和负电的微粒，但从总体来说呈中性）以水平速度v通过两水平放置的平行金属板的空间，空间存在磁感强度为B的匀强磁场。在洛伦兹力作用下，正、负离子分别向上、下极板偏转、积累，从而在板间形成一个向下的电场．两板间形成一定的电势差．当qvB=qU/d时电势差稳定U＝dvB，这就相当于一个可以对外供电的电源． 12(双)将一束等离子体沿图中所示方向喷射入磁场，磁场中有两块金属板A、B，这时金属板上就聚集了电荷．在磁极配置如图中所示的情况下，下述说法正确的是（BD ） A．A板带正电 B．有电流从b经用电器流向a C．金属板A、B间的电场方向向下 D．等离子体发生偏转的原因是离子所受洛伦兹力大于所受电场力 13(双)如图，连接平行金属板P1和P2的导线的一部分CD和另一连接电 池的回路的一部分GH平行，CD和GH均在纸平面内，金属板置于磁场中， 磁场方向垂直于纸面向里，当一束等离子体射入两金属板之间时，CD段 导线将受到力的作用，下列判断正确的是( AD ) A.等离子体从右侧射入时，CD受力的方向远离GH B.等离子体从右侧射入时，CD受力的方向指向GH C.等离子体从左侧射入时，CD受力的方向远离GH D.等离子体从左侧射入时，CD受力的方向指向GH 2.电磁流量计（如图4所示） 在非磁性材料做成的圆管道外加一匀强磁场区域，当管中的 导电液体流过此磁场区域时，测出管壁上下两点间的电势差U， 就可以知道管中的液体的流量Q——单位时间内流过液体的体积 （m3/?）.已知管的直径为D和磁感应强度为B. 2020-2021学年高一第一学期物理人教版2019选修第二册第一章 4. 质谱仪与回旋加速器C 1.如图所示为回旋加速器的工作原理示意图,D形金属盒置于真空中,半径为R,两金属盒间的狭缝很小,磁感应强度大小为B的勻强磁场与金属盒盒面垂直,高频交流电的频率为f,加速电压为U,若中心粒子源处产生的初速度为0的质子(质量为m,电荷量为+e)在加速器中被加速。不考虑相对论效应,则下列说法正确的是( ) A.加速的粒子获得的最大动能随加速电压U的增大而增大 B.不改变磁感应强度B和交流电的频率f,该加速器一定可加速其他带正电荷的粒子 C.质子被加速后的最大速度不能超过2πRf D.质子第二次和第一次经过D形盒间狭缝后轨道半径之比为2:1 2.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个D形金属盒,两盒间的狭缝中存在周期性变化的电场,使粒子在通过狭缝时都能得到加速,两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中,如图所示,要增大带电粒子射出时的动能,则下列说法中正确的是( ) A.减小磁场的磁感应强度 B.增大匀强电场间的加速电压 C.增大D形金属盒的半径 D.减小狭缝间的距离 3.质谱仪是测带电粒子质量和分析同位素的一种仪器,它的工作原理是带电粒子(不计重力)经同一电场加速后,垂直进入同一匀强磁场做圆周运动,然后利用相关规律计算出带电粒子质量。其工作原理如图所示。虚线为某粒子运动轨迹,由图可知( ) A.此粒子带负电 B.下极板S2比上极板S1电势高 C.若只减小加速电压U,则半径r变大 D.若只减小入射粒子的质量,则半径r变小 4.1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器,其原理如图所示,这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成,其间留有空隙,下列说法正确的是( ) A.离子从电场中获得能量 B.离子由加速器的边缘进入加速器 C.加速电场的周期随粒子速度增大而增大 D.离子从D形盒射出时的动能与加速电场的电压有关 1.1 磁场对通电导线的作用力 【学习目标】 1．知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。 2．知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。 【学习重点】 知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。 【学习难点】 知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。 【学习过程】 一、自主预习 （一）、质谱仪 1．质谱仪的结构原理 （1）.质谱仪的组成 由粒子源容器、电场、磁场和底片组成。 （2）.质谱仪的用途 质谱仪最初是由汤姆孙的学生阿斯顿设计的。他用质谱仪发现了氖20和氖22,证实了的存在。质谱仪是测量带电粒子的和分析的重要工具。 （二）、回旋加速器 1.为什么要设计多级加速器?有什么缺点? 2.参照课本回旋加速器的原理图,简述回旋加速器的组成。 自我检测 1.正误判断。 (1)利用质谱仪可以测定带电粒子的质量和分析同位素。() (2)当交变电压的周期等于带电粒子在磁场中运动的周期时,回旋加速器中的粒子才能被加速。(3)回旋加速器能把粒子加速到光速。() 2.(多选)质谱仪的构造原理如图所示,从粒子源S出来时的粒子速度很小,可以看作初速度为零,粒子经过电场加速后进入有界的垂直纸面向里的匀强磁场区域,并沿着半圆周运动而达到照相底片上的P点,测得P点到入口的距离为x,则以下说法正确的是() A.粒子一定带正电 B.粒子一定带负电 C.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越大 D.x越大,则粒子的质量与电荷量之比一定越小 3.关于回旋加速器中电场和磁场的作用的叙述,正确的是() A.电场和磁场都对带电粒子起加速作用 B.电场和磁场是交替地对带电粒子做功的 C.只有电场对带电粒子起偏转作用 D.磁场的作用是使带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动 二、探究学习 问题情境一 如图为质谱仪原理示意图。设粒子质量为m、电荷量为q,加速电场电压为U,偏转磁场的磁感应强度为B。则粒子进入磁场时的速度是多大?打在底片上的位置到S3的距离多大? 知识归纳 1.带电粒子运动分析 2.质谱仪区分同位素 实例引导 例1如图所示为质谱仪的原理图。利用这种质谱仪可以对氢元素进行测量。氢元素的各种同位素,从容器A 下方的小孔S1进入加速电压为U的加速电场,可以认为从容器出来的粒子初速度为零。粒子被加速后从小孔S2进入磁感应强度为B的匀强磁场,最后打在照相底片D上,形成a、b、c三条质谱线。关于氢的三种同位素进入磁场时速率的排列顺序和三条谱线的排列顺序,下列说法中正确的是() A.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氕、氘、氚 B.进磁场时速率从大到小的排列顺序是氚、氘、氕 C.a、b、c三条谱线的排列顺序是氕、氘、氚 D.a、b、c三条谱线的排列顺序是氘、氚、氕 变式训练1 (多选)如图是质谱仪的工作原理示意图,带电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的磁感应强度和匀强电场的电场强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过 一 粒子速度选择器练习 如图，粒子以速度v 0，进入正交的电场和磁场，受到的电场力与洛伦兹力方向相反，若使粒子沿直线从右边孔中出去，根据qv 0B ＝qE , 得v 0=E/B ，故 若v= v 0=E/B ，粒子做直线运动，与粒子电量、电性、质量无关 若v ＜E/B ，电场力大，粒子向电场力方向偏，电场力做正功，动能增加． 若v ＞E/B ，洛伦兹力大，粒子向磁场力方向偏，电场力做负功，动能减少． 速度选择器的特点是:(1)只选速度,不选电性.即不管是带正电还是带负电,只要初速度满足一定的关系,粒子均能直线飞出. (2)单向性:粒子只能从一个方向打入,另外一个方向飞出. 1. (单) 如图，水平放置的平行金属板a 、b 带有等量异种电荷，a 板带正电，两板间有垂直于纸面向里的匀强磁场，若一个带正电的液滴在两板间做直线运动，其运动方向是：( D ) A ．沿竖直方向向下 B ．沿竖直方向向上 C ．沿水平方向向左 D ．沿水平方向向右 2(双)在图中实线框所围的区域内同时存在匀强磁场和匀强电场．一负离子（不计重力）恰好能沿直线MN 通过这一区域．则匀强磁场和匀强电场的方向不可能为下列哪种情况（ AD ） A 、匀强磁场和匀强电场的方向都水平向右 B 、匀强磁场方向竖直向上，匀强电场方向垂直于纸面向里 C 、匀强磁场方向垂直于纸面向里，匀强电场方向竖直向下 D 、匀强磁场方向垂直于纸面向外，匀强电场方向竖直向下 3(双)、一质子以速度V 穿过互相垂直的电场和 磁场区域而没有发生偏转，则 （ BD ） A 、若电子以相同速度V 射入该区域，将会发生偏转 B 、无论何种带电粒子，只要以相同速度射入都不会发生偏转 C 、若质子的速度V' 回旋加速器和质谱仪等仪器 1．回旋加速器 (1)构造：如图所示，D 1、D 2是半圆形金属盒，D 形盒的缝隙处接交流电源．D 形盒处于匀强磁场中． (2)原理：交变电流的周期和粒子 做圆周运动的周期相等，粒子在圆周运动的过程中一次一次地经过D 形盒缝隙，两盒间的电势差一次一次地反向，粒子就会被一次一次地加速．由qvB ＝mv 2 R ，得E km ＝q 2B 2R 2 2m ，可见粒子获得的最大动能由磁感 应强度B 和D 形盒半径R 决定，与加速电压无关． 2．质谱仪 (1)构造：如图所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等组成． (2)原理：粒子由静止在加速电场中被加速，根据动能定理qU ＝12 mv 2 可知进入磁场的速度v ＝ 2qU m .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，qvB ＝mv 2 r .由以上几式可得出需要 研究的物理量如粒子轨道半径、粒子质量、比荷等． 判断正误 (1)经回旋加速器加速的带电粒子的最大初动能由D 形盒的最大半径决定，与加速电压无关．(√) (2)质谱仪只能区分电荷量不同的粒子．(×) 3．速度选择器 (1)平行板间电场强度E 和磁感应强度B 互相垂直．这种装置能把具有一定速度 的粒子选择出来，所以叫做速度选择器． (2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是 qE ＝qvB ，即v ＝E B . 4．磁流体发电机 (1)磁流体发电是一项新兴技术，它可以把内能直接转化为电能． (2)根据左手定则，如图中的B 板是发电机正极． (3)磁流体发电机两极板间的距离为d,等离子体速度为v ，磁场磁感应强度为 B ，则两极板间能达到的最大电势差U ＝ BdV 5．电磁流量计 (1)如图所示，一圆形导管直径为d ，用非磁性材料制成，其中有可以导电的液体流过导管． (2)原理：导电液体中的自由电荷(正、负离子)在洛伦兹力作用下横向偏转，a 、b 间出现电势差，形成电场．当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，a 、b 间的电势差就保持稳定．由Bqv ＝Eq ＝U d q ，可得v ＝U Bd ，液体流量Q ＝Sv ＝πd 2 4·U Bd ＝πdU 4B . 6．霍尔效应 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，所产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压，其原理如图所示． 特别提示：分析带电粒子在复合场中的运动时，如果没有明确指出，则对于 微观粒子如电子、质子、α粒子、离子等其重力可忽略不计；对于实际物体，如带电小球、液滴、金属块等一般应考虑重力． 例题1．(多选)图为某磁谱仪部分构件的示意图．图中，永磁铁提供匀强磁场，硅微条径迹探测器可以探测粒子在其中运动的轨迹．宇宙射线中有大量的电子、正电子和质子．当这些粒子从上部垂直进入磁场时，下列说法正确的是( ) A ．电子与正电子的偏转方向一定不同 B ．电子与正电子在磁场中运动轨迹的半径一定相同 C ．仅依据粒子运动轨迹无法判断该粒子是质子还是正电子 D ．粒子的动能越大，它在磁场中运动轨迹的半径越小 质谱仪与回旋加速器 【教学目标】 1．知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。 2．知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。 【教学重点】 知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。 【教学难点】 知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。 【教学过程】 一、复习导入 1．实例： 如图所示为一具有圆形边界、半径为r 的匀强磁场，磁感应强度大小为B ，一个初速度大小为v 0的带电粒子（质量为m ，电荷量为q ）沿该磁场的直径方向从P 点射入，在洛伦兹力的作用下从Q 点离开磁场。 （1）可以证明，该粒子离开磁场时速度方向的反向延长线必过圆心。 （2）设粒子离开磁场时的速度方向与进入磁场时相比偏转了θ角，则由图中几何关系可以看出tan θ2＝r/R ＝qBr mv 0 可见，对于一定的带电粒子（m ，q 一定），可以通过调节B 和v 0的大小来控制粒子的偏转角度θ。 2．特点： 利用磁场控制带电粒子的运动，只能改变粒子的运动方向而不能改变粒子的速度大小。 二、新课教学 （一）质谱仪 1．质谱仪的结构原理 质谱仪主要用于分析同位素、测定其质量、荷质比和含量比，如图所示为一种常用的质谱仪。 （1）离子发生器：发射出电量q、质量m的粒子，粒子从A中小孔S飘出时速度大小不计； （2）静电加速器C：静电加速器两极板M和N的中心分别开有小孔S1、S2，粒子从S1进入后，经电压为U的电场加速后，从S2孔以速度v飞出； （3）速度选择器D：由正交的匀强电场E0和匀强磁场B0构成，调整E0和B0的大小可以选择度为v0＝E0/B0的粒子通过速度选择器，从S3孔射出； （4）偏转磁场B：粒子从速度选择器小孔S3射出后，从偏转磁场边界挡板上的小孔S4进入，做半径为r的匀速圆周运动； （5）感光片F：粒子在偏转磁场中做半圆运动后，打在感光胶片的P点被记录，可以测得PS4间的距离L。装置中S、S1、S2、S3、S4五个小孔在同一条直线上。 2．问题讨论： 设粒子的质量为m、带电量为q（重力不计）， 粒子经电场加速由动能定理有：qU=1 2 mv2①； 粒子在偏转磁场中作圆周运动有：L=2mv Bq ②； 联立①②解得：m=qB 2L2 8U ；q m =8U B2L2 。 另一种表达形式 同位素荷质比和质量的测定：粒子通过加速电场，通过速度选择器，根据匀速运动 的条件：v=E B0。若测出粒子在偏转磁场的轨道直径为L，则L=2R=2mv Bq =2mE B0Bq ，所 回旋加速器、质谱仪 1.(2016湖北部分重点中学联考)物理课堂教学中的洛伦兹力演示仪由励磁线圈、玻璃泡、电子枪等部分组成。励磁线圈是一对彼此平行的共轴的圆形线圈，它能够在两线圈之间产生匀强磁场。玻璃泡内充有稀薄的气体，电子枪在加速电压下发射电子，电子束通过泡内气体时能够显示出电子运动的径迹。若电子枪垂直磁场方向发射电子，给励磁线圈通电后，能看到电子束的径迹呈圆形。若只增大电子枪的加速电压或励磁线圈中的电流，下列说法正确的是( ) A．增大电子枪的加速电压，电子束的轨道半径变大 B．增大电子枪的加速电压，电子束的轨道半径不变 C．增大励磁线圈中的电流，电子束的轨道半径变小 D．增大励磁线圈中的电流，电子束的轨道半径不变 2.回旋加速器在科学研究中得到了广泛应用，其原理如图7所示。D1和D2是两个中空的半圆形金属盒，置于与盒面垂直的匀强磁场中，它们接在电压为U、周期为T的交流电源上。位于D1圆心处的质子源A能不断产生质子(初速度可以忽略)，它们在两盒之间被电场加速。当质子被加速到最大动能E k后，再将它们引出。忽略质子在电场中的运动时间，则下列说法中正确的是( ) A.若只增大交变电压U，则质子的最大动能E k会变大 B.若只增大交变电压U，则质子在回旋加速器中运行的时间会变短 C.若只将交变电压的周期变为2T，仍可用此装置加速质子 D.质子第n次被加速前、后的轨道半径之比为n－1∶n 3．劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示。置于真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略。磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U。若A处粒子源产生的质子的质量为m、电荷量为＋q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响。则下列说法正确的是( ) A.质子被加速后的最大速度不可能超过2πRf B.质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比 物理速度选择器和回旋加速器练习 一、速度选择器和回旋加速器 1．某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，A 为粒子加速器，加速电压为U 1；B 为速度选择器，磁场与电场正交，电场方向向左，两板间的电势差为U 2，距离为d ；C 为偏转分离器，磁感应强度为B 2，方向垂直纸面向里。今有一质量为m 、电荷量为e 的正粒子（初速度忽略，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，打在照相底片D 上。求： (1)磁场B 1的大小和方向 (2)现有大量的上述粒子进入加速器A ，但加速电压不稳定，在11U U -?到11U U +?范围内变化，可以通过调节速度选择器两板的电势差在一定范围内变化，使得加速后的不同速度的粒子都有机会进入C ，则打在照相底片D 上的宽度和速度选择器两板的电势差的变化范围。 【答案】（1）2112U m B d U e = 2）()()11112222m U U m U U D B e e +?-?=，()11min 1 U U U U U -?=() 11max 1 U U U U U +?=【解析】 【分析】 【详解】 （1）在加速电场中 2112 U e mv = 12U e v m = 在速度选择器B 中 2 1U eB v e d = 得 1B = 根据左手定则可知方向垂直纸面向里； （2）由可得加速电压不稳后获得的速度在一个范围内变化，最小值为 1v = 1 12 mv R eB = 最大值为 2v = 2 22 mv R eB = 打在D 上的宽度为 2122D R R =- 22D B = 若要使不同速度的粒子都有机会通过速度选择器，则对速度为v 的粒子有 1U eB v e d = 得 U=B 1vd 代入B 1 得 2U U = 再代入v 的值可得电压的最小值 min U U =最大值 max U U = 高考物理速度选择器和回旋加速器的技巧及练习题及练习题 一、速度选择器和回旋加速器 1．某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，A 为粒子加速器，加速电压为U 1；B 为速度选择器，磁场与电场正交，电场方向向左，两板间的电势差为U 2，距离为d ；C 为偏转分离器，磁感应强度为B 2，方向垂直纸面向里。今有一质量为m 、电荷量为e 的正粒子（初速度忽略，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，打在照相底片D 上。求： (1)磁场B 1的大小和方向 (2)现有大量的上述粒子进入加速器A ，但加速电压不稳定，在11U U -?到11U U +?范围内变化，可以通过调节速度选择器两板的电势差在一定范围内变化，使得加速后的不同速度的粒子都有机会进入C ，则打在照相底片D 上的宽度和速度选择器两板的电势差的变化范围。 【答案】（1）2112U m B d U e = 2）()()11112222m U U m U U D B e e +?-?=，()11min 1 U U U U U -?=() 11max 1 U U U U U +?=【解析】 【分析】 【详解】 （1）在加速电场中 2112 U e mv = 12U e v m = 在速度选择器B 中 2 1U eB v e d = 得 1B = 根据左手定则可知方向垂直纸面向里； （2）由可得加速电压不稳后获得的速度在一个范围内变化，最小值为 1v = 1 12 mv R eB = 最大值为 2v = 2 22 mv R eB = 打在D 上的宽度为 2122D R R =- 22D B = 若要使不同速度的粒子都有机会通过速度选择器，则对速度为v 的粒子有 1U eB v e d = 得 U=B 1vd 代入B 1 得 2U U = 再代入v 的值可得电压的最小值 min U U =最大值 max U U = 一 粒子速度选择器练习 如图，粒子以速度v 0，进入正交的电场和磁场，受到的电场力与洛伦兹力方向相反，若使粒子沿直线从右边孔中出去，根据qv 0B ＝qE , 得v 0=E/B ，故 % 若v= v 0=E/B ，粒子做直线运动，与粒子电量、电性、质量无关 若v ＜E/B ，电场力大，粒子向电场力方向偏，电场力做正功，动能增加． 若v ＞E/B ，洛伦兹力大，粒子向磁场力方向偏，电场力做负功，动能减少． 速度选择器的特点是:(1)只选速度,不选电性.即不管是带正电还是带负电,只要初速度满足一定的关系,粒子均能直线飞出. (2)单向性:粒子只能从一个方向打入,另外一个方向飞出. 1. (单) 如图，水平放置的平行金属板a 、b 带有等量异种电荷，a 板带正电，两板间有垂直于纸面向里的匀强磁场，若一个带正电的液滴在两板间做直线运动，其运动方向是：( D ) A ．沿竖直方向向下 B ．沿竖直方向向上 * C ．沿水平方向向左 D ．沿水平方向向右 2(双)在图中实线框所围的区域内同时存在匀强磁场和匀强电场．一负离子（不计重力）恰好能沿直线MN 通过这一区域．则匀强磁场和匀强电场的方向不可能为下列哪种情况（ AD ） A 、匀强磁场和匀强电场的方向都水平向右 B 、匀强磁场方向竖直向上，匀强电场方向垂直于纸面向里 C 、匀强磁场方向垂直于纸面向里，匀强电场方向竖直向下 D 、匀强磁场方向垂直于纸面向外，匀强电场方向竖直向下 3(双)、一质子以速度V 穿过互相垂直的电场和 磁场区域而没有发生偏转，则 （ BD ） A 、若电子以相同速度V 射入该区域，将会发生偏转 B 、无论何种带电粒子，只要以相同速度射入都不会发生偏转 C 、若质子的速度V' 质谱仪与回旋加速器 【教学目标】 1．知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。 2．知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。 【教学重点】 知道质谱仪的构造，会应用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的规律分析相关问题。【教学难点】 知道回旋加速器的构造和加速原理，理解粒子的回旋周期与加速电场的变化周期的关系。 【教学过程】 一、复习导入 1．实例： 如图所示为一具有圆形边界、半径为r的匀强磁场， 磁感应强度大小为B，一个初速度大小为v0的带电粒子 （质量为m，电荷量为q）沿该磁场的直径方向从P点射 入，在洛伦兹力的作用下从Q点离开磁场。 （1）可以证明，该粒子离开磁场时速度方向的反向延 长线必过圆心。 （2）设粒子离开磁场时的速度方向与进入磁场时相 比偏转了θ角，则由图中几何关系可以看出tanθ 2＝r/R＝qBr mv0 可见，对于一定的带电粒子（m，q一定），可以通过调节B和v0的大小来控制粒子的偏转角度θ。 2．特点： 利用磁场控制带电粒子的运动，只能改变粒子的运动方向而不能改变粒子的速度大小。 二、新课教学 （一）质谱仪 1．质谱仪的结构原理 质谱仪主要用于分析同位素、测定其质量、荷质比和含量比，如图所示为一种常用的质谱仪。 （1）离子发生器：发射出电量q、质量m的粒子，粒子从A中小孔S飘出时速度大小不计； （2）静电加速器C：静电加速器两极板M和N的中心分别开有小孔S1、S2，粒子从S1进入后，经电压为U的电场加速后，从S2孔以速度v飞出； （3）速度选择器D：由正交的匀强电场E0和匀强磁场B0构成，调整E0和B0的大小可以选择度为v0＝E0/B0的粒子通过速度选择器，从S3孔射出； （4）偏转磁场B：粒子从速度选择器小孔S3射出后，从偏转磁场边界挡板上的小孔S4进入，做半径为r的匀速圆周运动； （5）感光片F：粒子在偏转磁场中做半圆运动后，打在感光胶片的P点被记录，可以测得PS4间的距离L。装置中S、S1、S2、S3、S4五个小孔在同一条直线上。 2．问题讨论： 设粒子的质量为m、带电量为q（重力不计）， 粒子经电场加速由动能定理有：qU=1 2 mv2①； 粒子在偏转磁场中作圆周运动有：L=2mv Bq ②； 联立①②解得：m=qB 2L2 8U ；q m =8U B2L2 。 另一种表达形式 同位素荷质比和质量的测定：粒子通过加速电场，通过速度选择器，根据匀速运动 的条件：v=E B0。若测出粒子在偏转磁场的轨道直径为L，则L=2R=2mv Bq =2mE B0Bq ，所 高考物理速度选择器和回旋加速器及其解题技巧及练习题 一、速度选择器和回旋加速器 1．质谱仪最初由汤姆孙的学生阿斯顿设计的，他用质谱仪发现了氖20和氖22，证实了同位素的存在．现在质谱仪已经是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．如右图所示是一简化了的质谱仪原理图．边长为L 的正方形区域abcd 内有相互正交的匀强电场和匀强磁场，电场强度大小为E ，方向竖直向下，磁感应强度大小为B ，方向垂直纸面向里．有一束带电粒子从ad 边的中点O 以某一速度沿水平方向向右射入，恰好沿直线运动从bc 边的中点e 射出（不计粒子间的相互作用力及粒子的重力），撤去磁场后带电粒子束以相同的速度重做实验，发现带电粒子从b 点射出，问： （1）带电粒子带何种电性的电荷? （2）带电粒子的比荷（即电荷量的数值和质量的比值 q m ）多大? （3）撤去电场后带电粒子束以相同的速度重做实验，则带电粒子将从哪一位置离开磁场，在磁场中运动的时间多少? 【答案】（1）负电（2）2 q E m B L = （3）从dc 边距离d 点距离为32 L 处射出磁场；3BL E π 【解析】 【详解】 （1）正电荷所受电场力与电场强度方向相同，负电荷所受电场力与电场强度方向相反，粒子向上偏转，可知粒子带负电； （2）根据平衡条件： qE =qv 0B 得： 0E v B = 撤去磁场后，粒子做类平抛运动，则有： x =v 0t =L 2 2 12qE L y t m = = 得： 2 q E m B L = （3）撤去电场后带电粒子束在磁场中做匀速圆周运动，则： 2 00v qv B m r = 得： mv r L qB = = 粒子从dc 边射出磁场，设粒子射出磁场距离d 点的距离为x ，根据几何关系： 22 22L x r r +-=（） r=L 得： x L = 所以1 3 θπ= 23BL t T E θππ= = 答：（1）带电粒子带负电； （2）带电粒子的比荷2 q E m B L = ； （3）撤去电场后带电粒子束以相同的速度重做实验，则带电粒子将从dc 边距离d 点 x L = 处离开磁场，在磁场中运动的时间3BL t E =π． 2．如图所示：在两个水平平行金属极板间存在着向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场，电场强度和磁感应强度的大小分别为E =1×103N/C 和B 1=0.02T ，极板长度L =0.4m ，间距足够大。在极板的右侧还存在着另一圆形匀强磁场区域，磁场的方向垂直纸面向外，圆形磁场的圆心O 位于平行金属板的中线上，圆形磁场的半径R =0.6m 。有一带正电的粒子以一定初速度v 0沿极板中线水平向右飞入极板间恰好做匀速直线运动，然后进入圆形匀强磁场区域，飞出后速度方向偏转了74°，不计粒子重力，粒子的比荷q m =3.125×106C/kg ， sin37°=0.6,cos37°=0.8。求： （1）粒子初速度v 0的大小； （2）圆形匀强磁场区域的磁感应强度B 2的大小； （3）在其他条件都不变的情况下，将极板间的磁场撤去，为使粒子飞出极板后不能进入圆形磁场，则圆形磁场的圆心O 离极板右边缘的水平距离d 应该满足的条件。 专题 质谱仪 回旋加速器 一.质谱仪 1. 组成：离子源O ，加速电场U ，速度选择器 （E,1B ），磁偏转场2B ，胶片． 2. 质谱仪的作用：用来研究物质的同位素，粒子 源产生电量为q 而质量不等的同位素粒子，经 加速电压为U 的加速电场加速后进入磁感应强 度为B 的偏转磁场，沿着半圆周运动的照相底 片上。测出半圆周的直径x 可以计算出该同位 素粒子的质量m ，U q x B m 822=。 3. 原理：加速场中m Uq v mv 221Uq 2== 偏转场中:q 2222B mU m qU Bq m Bq mv x r ==== 所以U q x B m 822= 4. 速度选择器的作用：从粒子源中射出的粒子初速度并非都为零，射入偏转磁场中的粒子速度并不完全相同，同样性质的粒子在磁场中作匀速圆周运动的半径并不完全相同（Bq mv r =），在底片上留下的谱 线有一定的宽度，影响测量精度。速度选择器的作用是选择具有特定速度v 的粒子进入偏转磁场，以提高测量精度。1 1B E v qv B Eq =→=。 课堂练习 1(单)如图带电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A1A2。平板S 下方 有强度为B0的匀强磁场。下列表述不正确的是（ ） A ．质谱仪是分析同位素的重要工具 B ．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 C ．能通过狭缝P 的带电粒子的速率等于E/B D ．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P ，粒子的荷质比越小 2(单)如图，一束质量、速度和电量不同的正离子垂直地射入匀强磁场和匀强电场正交的区域里，结果发现有些离子保持原来的运动方向，未发生任何偏转．如果让这些不偏转离子进入另一匀强磁场中，发现这些离子又分裂成几束，对这些进入后一磁场的离子，可得出结论 ( ) 高中物理速度选择器和回旋加速器模拟试题 一、速度选择器和回旋加速器 1．质谱仪最初由汤姆孙的学生阿斯顿设计的，他用质谱仪发现了氖20和氖22，证实了同位素的存在．现在质谱仪已经是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．如右图所示是一简化了的质谱仪原理图．边长为L 的正方形区域abcd 内有相互正交的匀强电场和匀强磁场，电场强度大小为E ，方向竖直向下，磁感应强度大小为B ，方向垂直纸面向里．有一束带电粒子从ad 边的中点O 以某一速度沿水平方向向右射入，恰好沿直线运动从bc 边的中点e 射出（不计粒子间的相互作用力及粒子的重力），撤去磁场后带电粒子束以相同的速度重做实验，发现带电粒子从b 点射出，问： （1）带电粒子带何种电性的电荷? （2）带电粒子的比荷（即电荷量的数值和质量的比值 q m ）多大? （3）撤去电场后带电粒子束以相同的速度重做实验，则带电粒子将从哪一位置离开磁场，在磁场中运动的时间多少? 【答案】（1）负电（2）2 q E m B L = （3）从dc 边距离d 点距离为32 L 处射出磁场；3BL E π 【解析】 【详解】 （1）正电荷所受电场力与电场强度方向相同，负电荷所受电场力与电场强度方向相反，粒子向上偏转，可知粒子带负电； （2）根据平衡条件： qE =qv 0B 得： 0E v B = 撤去磁场后，粒子做类平抛运动，则有： x =v 0t =L 2 2 12qE L y t m = = 得： 2 q E m B L = （3）撤去电场后带电粒子束在磁场中做匀速圆周运动，则： 2 00v qv B m r = 得： mv r L qB = = 粒子从dc 边射出磁场，设粒子射出磁场距离d 点的距离为x ，根据几何关系： 22 22L x r r +-=（） r=L 得： x L = 所以1 3 θπ= 23BL t T E θππ= = 答：（1）带电粒子带负电； （2）带电粒子的比荷2 q E m B L = ； （3）撤去电场后带电粒子束以相同的速度重做实验，则带电粒子将从dc 边距离d 点 x L = 处离开磁场，在磁场中运动的时间3BL t E =π． 2．如图所示，有一对平行金属板，两板相距为0.05m 。电压为10V ；两板之间有匀强磁场，磁感应强度大小为B 0=0.1T ，方向与金属板面平行并垂直于纸面向里。图中右边有一半 径R 为0.1m 、圆心为O 的圆形区域内也存在匀强磁场，磁感应强度大小为B ，方向垂直于纸面向里。一质量为m =10-26kg 带正电的微粒沿平行于金属板面，从A 点垂直于磁场的方向射入平行金属板之间，沿直线射出平行金属板之间的区域，并沿直径CD 方向射入圆形磁场区域，最后从圆形区域边界上的F 点射出。已知速度的偏转角60°，不计微粒重力。求： （1）微粒速度v 的大小； （2）微粒的电量q ； （3）微粒在圆形磁场区域中运动时间t 。 高中物理速度选择器和回旋加速器真题汇编 一、速度选择器和回旋加速器 1．某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示，A 为粒子加速器，加速电压为U 1；B 为速度选择器，磁场与电场正交，电场方向向左，两板间的电势差为U 2，距离为d ；C 为偏转分离器，磁感应强度为B 2，方向垂直纸面向里。今有一质量为m 、电荷量为e 的正粒子（初速度忽略，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，打在照相底片D 上。求： (1)磁场B 1的大小和方向 (2)现有大量的上述粒子进入加速器A ，但加速电压不稳定，在11U U -?到11U U +?范围内变化，可以通过调节速度选择器两板的电势差在一定范围内变化，使得加速后的不同速度的粒子都有机会进入C ，则打在照相底片D 上的宽度和速度选择器两板的电势差的变化范围。 【答案】（1）2112U m B d U e = 2）()()11112222m U U m U U D B e e +?-?=，()11min 1 U U U U U -?=() 11max 1 U U U U U +?=【解析】 【分析】 【详解】 （1）在加速电场中 2112 U e mv = 12U e v m = 在速度选择器B 中 2 1U eB v e d = 得 1B = 根据左手定则可知方向垂直纸面向里； （2）由可得加速电压不稳后获得的速度在一个范围内变化，最小值为 1v = 1 12 mv R eB = 最大值为 2v = 2 22 mv R eB = 打在D 上的宽度为 2122D R R =- 22D B = 若要使不同速度的粒子都有机会通过速度选择器，则对速度为v 的粒子有 1U eB v e d = 得 U=B 1vd 代入B 1 得 2U U = 再代入v 的值可得电压的最小值 min U U =最大值 max U U =人教版(2019)高一物理第一学期选修第二册第一章 4. 质谱仪与回旋加速器C
1.4质谱仪和回旋加速器
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