物理第一章安培力與洛倫茲力第4節(jié)質譜儀與回旋加速器[學習目標]1．了解質譜儀的工作原理。2．了解回旋加速器的工作原理。01必備知識素養(yǎng)奠基02關鍵能力素養(yǎng)形成03分層演練素養(yǎng)達標知識點1質譜儀1．原理圖：如圖所示。qvB質量[判一判]1．(1)質譜儀只能區(qū)分電荷量不同的粒子。(

)(2)質譜儀是測量帶電粒子質量和分離同位素的儀器。(

)×√知識點2回旋加速器1．回旋加速器的結構兩個中空的______________D1和D2，處于與盒面垂直的______________中，D1和D2間有一定的電勢差，如圖所示。半圓金屬盒勻強磁場洛倫茲力勻速圓周增大速度不變[判一判]2．(1)回旋加速器的半徑越大，帶電粒子獲得的最大動能就越大。(

)(2)利用回旋加速器加速帶電粒子，要提高加速帶電粒子的最終能量，應盡可能增大磁感應強度B和D形盒的半徑R。(

)(3)帶電粒子做勻速圓周運動的半徑與帶電粒子進入磁場時速度的大小有關，而周期與速度、半徑都無關。(

)√√√1．(質譜儀)1922年英國物理學家阿斯頓因質譜儀的發(fā)明、同位素和質譜的研究榮獲了諾貝爾化學獎。若速度相同的同一束粒子由左端射入質譜儀后的運動軌跡如圖所示，則下列相關說法正確的是(

)√√3．(速度選擇器)(多選)如圖所示，在兩平行金屬板間有正交的勻強電場和勻強磁場，勻強磁場的方向垂直于紙面向里，勻強電場的方向豎直向下，有一正離子恰能以速率v沿直線從左向右水平飛越此區(qū)域，則(

)A．若電子以速率v從右向左飛入，電子也沿直線運動B．若電子以速率v從右向左飛入，電子將向上偏轉C．若電子以速率v從右向左飛入，電子將向下偏轉D．若電子以速率v從左向右飛入，電子也沿直線運動√√4．(磁流體發(fā)電機)(多選)磁流體發(fā)電是一項新興技術。如圖所示，平行金屬板之間有一個很強的勻強磁場，將一束含有大量正、負帶電粒子的等離子體，沿圖中所示方向噴入磁場，圖中虛線框部分相當于發(fā)電機，把兩個極板與用電器相連，則(

)

A．用電器中的電流方向為從A到BB．用電器中的電流方向為從B到AC．若只增強磁場，發(fā)電機的電動勢增大D．若只增大粒子速度，發(fā)電機的電動勢增大√√√探究一質譜儀【問題導引】質譜儀能否測量未知電荷量的粒子的質量？提示：不能。3．分析判斷：根據(jù)帶電粒子在磁場中做圓周運動的半徑大小，就可以判斷帶電粒子比荷的大小，如果測出半徑且已知電荷量，就可以求出帶電粒子的質量。【例1】質譜儀原理示意圖如圖所示，電荷量為q、質量為m的帶正電的粒子從靜止開始經(jīng)過電壓為U的加速電場后進入粒子速度選擇器。選擇器中存在相互垂直的勻強電場和勻強磁場，勻強電場的電場強度為E、方向水平向右。已知帶電粒子能夠沿直線穿過速度選擇器，從G點垂直于MN進入偏轉磁場，該偏轉磁場是一個以直線MN為邊界、方向垂直于紙面向外的勻強磁場。帶電粒子經(jīng)偏轉磁場后，最終到達照相底片的H點。可測量出G、H間的距離為L，帶電粒子的重力可忽略不計。求：(1)粒子從加速電場射出時速度v的大小。(2)粒子速度選擇器中勻強磁場的磁感應強度B1的大小和方向。(3)偏轉磁場的磁感應強度B2的大小。[針對訓練1]現(xiàn)代質譜儀可用來分析比質子重很多倍的離子，其示意圖如圖所示，其中加速電壓恒定。質子在入口處從靜止開始被加速電場加速，經(jīng)勻強磁場偏轉后從出口離開磁場。若某種一價正離子在入口處從靜止開始被同一加速電場加速，為使它經(jīng)勻強磁場偏轉后仍從同一出口離開磁場，需將磁感應強度增加到原來的12倍。此離子和質子的質量比約為(

)

A．11∶1

B．12∶1 C．121∶1 D．144∶1√探究二回旋加速器【問題導引】回旋加速器的構造圖如圖所示。

回旋加速器中磁場和電場分別起什么作用？對交流電源的周期有什么要求？帶電粒子獲得的最大動能由哪些因素決定？【例2】有一回旋加速器，其勻強磁場的磁感應強度為B，所加速的帶電粒子質量為m，電荷量為q。(1)求回旋加速器所加高頻交流電壓的周期T′的表達式；(2)如果D形盒半圓周的最大半徑R＝0.6m，用它來加速質子，能把質子(質量m＝1.67×10－27kg，電荷量q＝1.6×10－19C)從靜止加速到具有4.0×107eV的能量，求所需勻強磁場的磁感應強度B。[針對訓練2]

(多選)回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電極相連接的兩個D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的電場，使粒子在通過狹縫時都能得到加速，兩個D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強磁場中，如圖所示，要增大帶電粒子射出時的動能，則下列說法正確的是(

)A．增大勻強電場間的加速電壓B．增大磁場的磁感應強度C．增加周期性變化的電場的頻率D．增大D形金屬盒的半徑√√探究三疊加場內的應用實例【問題導引】1．速度選擇器有什么特點？2．磁流體發(fā)電機有什么優(yōu)點？提示：1.能把具有一定速度的粒子選擇出來。2．它可以把內能直接轉化為電能。1．速度選擇器(1)平行板中電場強度E和磁感應強度B互相垂直。這種裝置能把具有一定速度的粒子選擇出來，所以叫作速度選擇器(如圖所示)。√【例4】電磁流量計廣泛應用于測量可導電流體(如污水)在管中的流量(單位時間內通過管內某橫截面的流體的體積)。為了簡化，假設流量計是如圖所示的橫截面為長方形的一段管道，其中空的部分的長、寬、高分別為圖中的a、b、c。流量計的兩端與輸送流體的管道相連(圖中虛線)，圖中流量計的上、下兩面是金屬材料，前、后兩面是絕緣材料，現(xiàn)給流量計所在處加磁感應強度為B的勻強磁場，磁場方向垂直于前、后兩面，當導電流體穩(wěn)定地流經(jīng)流量計時，在管外將流量計上、下兩面分別與一串聯(lián)了電阻R的電流表的兩端連接，I表示測得的電流值，已知流體的電阻率為ρ，不計電流表的內阻，則可求得流量為(

)√[解析]

如圖甲所示，兩極板(上、下兩面)間距為c，磁場方向如圖中所示。當外電路斷開時，運動電荷受洛倫茲力作用而偏轉，兩極板帶電(兩極板作為電路供電部分)而使電荷受電場力，當運動電荷穩(wěn)定時，兩極板所帶電荷量最多，兩極板間的電壓最大，等于電源電動勢E。測量電路可等效成如圖乙所示。[針對訓練3]

(2022·河北石家莊二中期末)關于下列四幅圖的說法正確的是(

)A．圖甲是回旋加速器的示意圖，要想帶電粒子獲得的最大動能增大，可增大加速電壓B．圖乙是磁流體發(fā)電機的示意圖，可以判斷出B極板是發(fā)電機的負極，A極板是發(fā)電機的正極C．圖丙是速度