1.4 质谱仪与回旋加速器-2021-2022学年高二物理精讲与精练高分突破考点专题系列（人教版2019选择性必修第二册）

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第一章安培力与洛伦兹力

1.4：质谱仪与回旋加速器

一：知识精讲归纳

考点一、质谱仪

1．质谱仪构造：主要构件有加速电场、偏转磁场和照相底片．

2．运动过程(如图)

(1)带电粒子经过电压为 U的加速电场加速，qU＝mv2.

(2)垂直进入磁感应强度为 B的匀强磁场中，做匀速圆周运动，r＝，可得 r＝.

3．分析：从粒子打在底片 D上的位置可以测出圆周的半径 r，进而可以算出粒子的比荷．

考点二、回旋加速器

1．回旋加速器的构造：两个 D形盒，两 D形盒接交流电源，D形盒处于垂直于 D形盒的匀强磁场中，如图.

2．工作原理

(1)电场的特点及作用

特点：两个 D形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的电场．

作用：带电粒子经过该区域时被加速．

(2)磁场的特点及作用

特点：D形盒处于与盒面垂直的匀强磁场中．

作用：带电粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，从而改变运动方向，半个圆周后再次进入电场．

大重点技巧归纳

回旋加速器两 D形盒之间有窄缝，中心附近放置粒子源(如质子、氘核或 α粒子源)，D形盒间接上交流电源，在狭

缝中形成一个交变电场．D形盒上有垂直盒面的匀强磁场(如图所示)．

(1)电场的特点及作用

特点：周期性变化，其周期等于粒子在磁场中做圆周运动的周期．

作用：对带电粒子加速，粒子的动能增大，qU＝ΔEk.

(2)磁场的作用

改变粒子的运动方向．

粒子在一个 D形盒中运动半个周期，运动至狭缝进入电场被加速．磁场中 qvB＝m，r＝∝v，因此加速后的轨迹半

径要大于加速前的轨迹半径．

(3)粒子获得的最大动能

若D形盒的最大半径为 R，磁感应强度为 B，由 r＝得粒子获得的最大速度 vm＝，最大动能 Ekm＝mvm2＝.

(4)两D形盒窄缝所加的交流电源的周期与粒子做圆周运动的周期相同，粒子经过窄缝处均被加速，一个周期内加

速两次．

二：考点题型归纳

题型一：基于加速电场的质谱仪

1．（2021·河北·大厂回族自治县高级实验中学高二期中）如图所示为质谱仪的结构原理图，若从金属筒内同一位

置由静止释放氢的三种同位素氕、氘、氚的原子核不计重力，经相同的电场加速和磁场偏转后分别打在照相底

片上的 A、B、C三个点，则氕、氘、氚原子核（　　）

A．进入磁场时的速度相同

B．氚在磁场中运动的时间最短

C．氕在电场中加速的时间最长

D．打在照相底片上相邻两点间距离 AB

、

BC 之比为

2．（2021·河北省唐县第一中学高二月考）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

度飘入电势差为 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．进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氕、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大到小排列的顺序是氕、氘、氚

D．a、b、c三条“质谱线”依次排列的顺序是氕、氘、氚

3．（2020·贵州·高二学业考试）用质谱仪测量带电粒子的比荷，其原理如图所示，A是粒子源，释放出的带电粒

子（不计重力），经小孔飘入电压为 U的加速电场（初速度可忽略不计），加速后经小孔进入磁感应强度为

B的匀强磁场中，最后打在照相底片上 D点。测得 D点到的距离为 d，则该粒子的比荷为（　　）

A．B．C．D．

题型二：基于速度选择器的质谱仪

4．（2021·江西·高安二中高二期中）质谱仪最初是由汤姆生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。如图所示，容器 A中有质量分别为 m1、m2，电荷量相同的氖20 和氖22 两种离子（不

考虑离子的重力及离子间的相互作用），它们从容器 A下方的小孔 S1不断飘入电压为 U的加速电场（离子的初速

度可视为零），沿竖直线 S1S2（S2为小孔）与磁场垂直的方向进入磁感应强度为 B的匀强磁场中，最后打在水平放

置的底片上。由于实际加速电压的大小在 U±ΔU范围内微小变化，这两种离子在磁场中运动的轨迹可能发生交叠，

为使它们的轨迹不发生交叠，应小于（　　）

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