带电粒子在磁场中的运动、质谱仪3
带电粒子在电磁场中运动的科技应用
带电粒子在电磁场中运动的科技应用1.加速器带电粒子在电场中加速的科技应用主要是加速器。
加速加速器直线加速器、回旋加 速器、电子感应加速器有三种，在高考试题中，直线加速器往往不单独命题，常常与磁 偏转和回旋加速器结合起来，考查单一问题的多过程问题：回旋加速器有时单独命题， 也常常与直线加速器结合起来命题。
例1. 1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，英原 理如图1所示，这台加速器由两个铜质D 形盒Di 、 留有空隙，下列说法正确的是（ ）离子由加速器的中心附近进入加速器 离子由加速器的边缘进入加速器 离子从磁场中获得能疑 离子从电场中获得能量 A.B. C. D. 答案：AD解析：离子由加速器的中心附近进入加速器，在电场中加速获得能量，在磁场中偏 转时，洛伦兹力不做功，能量不变，由于进入磁场的速度越来越大，所以转动的半径也 越来越大，故选项AD 正确。
例2.电子感应加速器工作原理如图2所示（上 图为侧视图、下图为真空室的俯视图），它主要有上、 下电磁铁磁极和环形真空室组成。
当电磁铁绕组通以 交变电流时，产生交变磁场，穿过真空盒所包囤的区 域内的磁通量随时间变化，这时頁•空盒空间内就产生 感应涡旋电场。
电子将在涡旋电场作用下得到加速。
（1） 设被加速的电子被“约朿"在半径为r 的圆周 上运动，整个圆而区域内的平均磁感应强度为求 电子所在圆周上的感生电场场强的大小与&的变化率 满足什么关系。
（2） 给电磁铁通入交变电流，一个周期内电子能被加速几次？ （3）在（1）条件下，为了维持电子在恒泄的轨道上加速，电子轨道处的磁场从应 满足什么关系？解析：（1）设被加速的电子被“约朿"在半径为『的圆周上运动，在半径为「的圆而 上，通过的磁通量为0二"疗.&是整个圆而区域内的平均磁感应强度，电子所在圆周 上的感生电场场强为左‘°E 二 3 根据法拉第电磁感应龙律 Az 得,ec A5E 况2"二——帀 A/感生电场的大小 2 A/ 0（2）给电磁铁通入交变电流如图3所示，从而产生变化的磁场，变化规律如图4 所示（以图2中所标电流产生磁场的方向为正方向），要使电子能被逆时针（从上往下 看，以下同）加速，一方而感生电场应是顺时针方向，即在磁场的第一个或第四个1/4 周期内加速电子：而另一方面电子受到的洛仑兹力应指向圆心，只有磁场的第一或第二 个1/4周期才满足。
高三物理备考资料——带电粒子在电磁场中运动的应用实例分析
带电粒子在电磁场中运动的应用1、电视机电视机的显像管中，电子束的偏转是用磁偏转技术实现的。
电子束经过电压为U 的加速电场后，进入一圆形匀强磁场区。
磁场方向垂直于圆面。
磁场区的中心为O ，半径为r 。
当不加磁场时，电子束将通过O 点而打到屏幕的中心M 点。
为了让电子束射到屏幕边缘P ，需要加磁场，使电子束转一已知角度θ，此时磁场的磁感应强度B 应为多少？解析： 电子在磁场中沿圆弧运动，如图所示，圆心为O ′，半径为R 。
以v 表示电子进入磁场时的速度，m 、e 分别表示电子的质量和电量，则221mv eU = R mv evB 2= Rr tg =2θ 由以上各式解得 221θtg e mU r B = 2、电磁流量计电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。
为了简化，假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的a 、b 、c ，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。
图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感强度为B 的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。
当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻R 的电流表的两端连接，I 表示测得的电流值。
已知流体的电阻率为ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为 A. )(ac bR B I ρ+ B. )(c b aR B I ρ+ C. )(b a cR B I ρ+ D. )(abc R B I ρ+ 答案： A3、质谱仪下图是测量带电粒子质量的仪器工作原理示意图。
设法是某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器A 中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变成正一价的分子离子。
分子离子从狭缝s 1以很小的速度进入电压为U 的加速电场区（初速不计），加速后，再通过狭缝s 2、s 3射入磁感强度为B 的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ 。
四极杆飞行时间质谱仪原理
四极杆飞行时间质谱仪原理
四极杆飞行时间质谱仪是一种常用于质谱分析的仪器。
其原理基于带电粒子在磁场中受到洛伦兹力以及电场力的作用，从而确定粒子的质量和电荷比。
该仪器由四根平行排列的金属杆（四极杆）组成，杆之间存在一定的电势差，形成一个电场。
在四极杆的两端还有一个均匀的磁场作用，形成一个向前加速粒子的区域。
当带电粒子进入仪器后，首先会在电场中加速，并沿着四极杆飞行。
同时，磁场会对粒子施加一个垂直于杆的洛伦兹力，使其偏离原来的路径。
由于电场和磁场力的施加方向不同，使得粒子在四极杆内做着动态的偏转运动。
根据四极杆飞行时间质谱仪的工作原理，可以将不同质量和电荷比的粒子分离出来。
因为不同质量和电荷比的粒子会受到不同大小的洛伦兹力和电场力的影响，从而在四极杆内拥有不同的飞行时间。
通过测量粒子飞行时间和飞行距离的关系，可以计算出粒子的质量和电荷比。
四极杆飞行时间质谱仪在实际应用中具有广泛的用途。
它可以用来分析和鉴定各种物质的成分和结构，包括有机化合物、无机离子、生物大分子等。
同时，该仪器还可以进行质量测定、同位素分析以及反应动力学等研究。
总结起来，四极杆飞行时间质谱仪的工作原理是基于带电粒子在电场和磁场的共同作用下进行运动，通过测量粒子的飞行时
间来确定其质量和电荷比。
这种仪器具有高分辨率、高灵敏度和广泛的应用领域。
质谱仪知识点公式总结
质谱仪知识点公式总结质谱仪是一种通过离子化和分析气体或溶液中的化合物的装置。
它是用来研究化学元素和化合物结构、分子量和分子结构的一种仪器。
在质谱仪的实验过程中，一般需要用到一些基本的知识和公式。
下面将对质谱仪的原理、基本知识点和相关公式进行总结。
一、质谱仪基本原理质谱仪是利用样品分子的离子特性进行分析的一种仪器，其基本原理可以用以下几个步骤来描述：1. 离子化样品分子在电子轰击下形成带电离子。
电子轰击式： M + e-→M* → M+ + 2e-化学离子化式：M + A+→MA+ + e-2. 加速带电离子在辐射电场中获得一定动能。
K= ½ mv^23. 离子分析带电离子在磁场中受洛伦兹力F= qvB。
F=qvB带电粒子在均匀磁场中，高速运动的粒子所受的洛伦兹力是一个力矩，力矩的大小为mvrB，方向垂直于磁感线和速度方向的平面。
这个力矩使带电粒子的运动方向发生改变，且随着时间的变化而导致运动轨迹成螺旋线。
4. 检测带电离子加速后，进入检测器，产生电信号，经信号放大器和信号处理器处理后，形成光谱图。
通过以上原理，可以得出质谱仪的质量分析公式为M/Q=2E/Be^2，其中M是质量，Q是电荷，E是加速电压，B是磁感应强度，e是元电荷。
二、质谱仪的基本知识点1. 质谱图质谱图是研究化合物结构和分子量的重要工具。
它是对样品分子的碎片进行质量分析后得到的图谱，用来确定分子的质量和结构。
2. 质荷比质荷比是样品分子的质量和电荷之比，用来表示不同离子的质量分析结果。
3. 质谱峰质谱峰是在质谱图中表现为质荷比的峰状突起，每一个峰代表一个分子的质量和结构。
根据分子的质谱峰可以确定其分子量、分子结构和化学组成。
4. 质谱仪的类型质谱仪按离子源的不同可以分为：电子轰击质谱仪、化学离子化质谱仪、原子化质谱仪。
三、质谱仪的相关公式1. 质量分析的基本原理公式质谱仪的质量分析原理公式为M/Q=2E/Be^2，其中M是质量，Q是电荷，E是加速电压，B是磁感应强度，e是元电荷。
质谱仪原理公式推导
质谱仪原理公式推导质谱仪这玩意儿，在科学研究和分析化学里可太重要啦！咱们今天就来好好唠唠它的原理公式推导。
要说质谱仪，咱们得先搞清楚它到底是干啥的。
简单来说，质谱仪就像是一个超级厉害的“质量侦探”，能把不同质量的粒子分得清清楚楚，然后告诉我们它们的质量是多少。
质谱仪的工作原理呢，基于一个关键的概念——带电粒子在电场和磁场中的运动。
想象一下，有一群带电的小粒子，它们在电场里会受到电场力的作用，就像被人推了一把似的加速跑起来。
这个加速的过程，就可以用一个公式来描述：qE = ma，其中 q 是粒子的电荷量，E 是电场强度，m 是粒子的质量，a 是加速度。
当这些粒子从电场出来，进入磁场的时候，情况又不一样啦。
磁场会对它们施加一个洛伦兹力，让它们拐弯。
这个拐弯的半径 r 跟粒子的速度 v、电荷量 q、磁场强度 B 以及质量 m 都有关系，公式就是 qvB = mv²/r 。
咱把这两个公式结合起来，就能推导出质谱仪中非常重要的一个公式。
就拿我之前在实验室里的一次经历来说吧。
那天我和同事们正在用质谱仪分析一种新的化合物。
我们把样品放进仪器里，眼睛紧紧盯着屏幕上显示的数据。
一开始，数据跳动得让人心里有点没底，可当我们根据原理公式慢慢调整参数，一点点接近我们想要的结果时，那种兴奋和成就感简直无法形容。
当时，我们为了得到更精确的质量数据，不断地尝试改变电场强度和磁场强度，计算着不同条件下粒子的运动轨迹。
每一次调整，都像是在黑暗中摸索，期待着那一丝光亮。
经过无数次的尝试和计算，我们终于成功地推导出了目标化合物中各个离子的准确质量。
那一刻，我深深地感受到，这些看似枯燥的公式，其实是打开科学奥秘之门的钥匙。
回到质谱仪的原理公式推导，通过一番运算，我们可以得到 m =qB²r²/2V 。
这个公式告诉我们，只要知道了磁场强度 B、粒子运动的半径 r、电场的电压 V 以及粒子的电荷量 q，就能算出粒子的质量 m 。
质谱原理学习(通俗版)
能量（速度）
✓ 相同动能（速度）的离子汇聚在一起。
色散作用
➢ 磁场中:
✓ 设计恰当的磁分析器，可以使质量相同速度不同的离子从
不同位置进入磁场后汇聚在一起，
实现能量和方向双聚焦。
v1
➢ 仪器的分辨率高，所有质量相同
v1
而能量不同的离子都能检测到。
➢ 价格昂贵，操作、维护困难。
8-2 质谱仪器原理
3、质量分析器
8-2 质谱仪器原理
4、离子检测器
电子倍增器 (Electron Multiplier)
➢ 一个二次电子 可以倍增为104～106个， 15～18级倍增，可测出10-17A微弱电流。
➢ 优点：灵敏快速； ➢ 不足：存在质量歧视效应。
8-2 质谱仪器原理
4、离子检测器
渠道式电子倍增器阵列 (Channel Electron Multiplier Array)
化学电离源（Chemical Ionization, CI） ➢ 特点： ✓ 图谱简单，峰的数目少； ✓ 准分子离子峰最强，即（M+1）或（M1）峰很强， 可提供样品分子的相对分子量的信息。 ✓ 样品可以是有机物、无机物，但不适用难挥发试样； 反应气可用CH4、H2、NH3、C3H8等。
➢准分子离子：常由软电离产生，一般相对式量为(M+1)、(M-1)。
➢ 它把样品直接置于阳极发射器的表面，在强电场中， 样品离子直接从固体表面解吸并电离，奔向阴极。
➢ 分子离子峰和准分子离子峰强，碎片离子峰极少，图谱很简单， ➢ 无需汽化，特别适用于热不稳定性和非挥发性化合物的质谱分析。
8-2 质谱仪器原理
2、离子源（电离室）
快原子轰击电离源——(Fastatom Bombardment, FAB)
新课标高中物理选修第6节 带电粒子在匀强磁场中的运动教案
第6节带电粒子在匀强磁场中的运动学习目标核心提炼1.知道带电粒子沿着垂直于磁场的方向射入匀强磁场会做匀速圆周运动。
1种分析方法——洛伦兹力提供向心力q v B＝mv2r2个推论公式——r＝m vqB，T＝2πmqB2个应用——质谱仪和回旋加速器2.理解洛伦兹力对运动电荷不做功。
3.能够用学过的知识分析、计算有关带电粒子在匀强磁场中受力、运动问题。
4.知道回旋加速器、质谱仪的基本构造、原理及用途。
一、带电粒子在匀强磁场中的运动1.运动轨迹带电粒子(不计重力)以一定的速度v进入磁感应强度为B的匀强磁场时：(1)当v∥B时，带电粒子将做匀速直线运动。
(2)当v⊥B时，带电粒子将做匀速圆周运动。
2.带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动(1)运动条件：不计重力的带电粒子沿着与磁场垂直的方向进入匀强磁场。
(2)洛伦兹力作用：提供带电粒子做圆周运动的向心力，即q v B＝m v2r。
(3)基本公式①半径：r＝m vqB；②周期：T＝2πmqB。
带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期与粒子运动速率和半径无关。
3.洛伦兹力的作用效果洛伦兹力只改变带电粒子速度的方向，不改变带电粒子速度的大小，或者说洛伦兹力不对带电粒子做功，不改变粒子的能量。
二、质谱仪1.原理图：如图1所示。
图12.加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得qU＝12m v2。
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：q v B＝m v2 r。
4.结论：r＝1B2mUq。
测出粒子的轨迹半径r，可算出粒子的质量m或比荷qm。
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.构造图：如图2所示。
图22.核心部件：两个半圆金属D形盒。
3.原理：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，粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，粒子做圆周运动的周期不变。
4.最大动能：由q v B＝m v2R和E k＝12m v2得E k＝q2B2R22m(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。
高中物理带电粒子在匀强磁场中的运动讲解_
高中物理带电粒子在匀强磁场中的运动讲解_下面是学习信息网整理的有关高中物理带电粒子在匀强磁场中的运动知识点总结讲解，方便大家的学习浏览1、理解洛伦兹力对粒子不做功。
2、理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀磁场中做匀速圆周运动.3、会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题，知道质谱仪的工作原理。
4、知道回旋加速器的基本构造、工作原理、及用途。
[问题1]什么是洛伦兹力?[磁场对运动电荷的作用力][问题2]带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力?[不一定，洛伦兹力的计算公式为F=qvBsin ，为电荷运动方向与磁场方向的夹角，当 =90 时，F=qvB;当 =0 时，F=0。
] [问题3]带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢?今天我们来学习带电粒子在匀强磁场中的运动。
带电粒子垂直进入匀强磁场中的受力及运动情况分析一是要明确所研究的物理现象的条件----在匀强磁场中垂直于磁场方向运动的带电粒子。
二是分析带电粒子的受力情况，用左手定则明确带电粒子初速度与所受到的洛伦兹力在同一平面内，所以只可能做平面运动。
三是洛伦兹力不对运动的带电粒子做功，它的速率不变，同时洛伦兹力的大小也不变。
四是根据牛顿第二定律，洛伦兹力使运动的带电粒子产生加速度(向心加速度)①电子受到怎样的力的作用?这个力和电子的速度的关系是怎样的?(电子受到垂直于速度方向的洛伦兹力的作用.)②洛伦兹力对电子的运动有什么作用?(洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小)③有没有其他力作用使电子离开磁场方向垂直的平面?(没有力作用使电子离开磁场方向垂直的平面)④洛伦兹力做功吗?(洛伦兹力对运动电荷不做功)1.带电粒子在匀强磁场中的运动(1)运动轨迹：沿着与磁场垂直的方向射入磁场的带电粒子，粒子在垂直磁场方向的平面内做匀速圆周运动，此洛伦兹力不做功。
【说明】：(1)轨道半径和粒子的运动速率成正比.(2)带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期跟轨道半径和运动速率无关。
质谱仪简介
质谱仪简介质谱仪又称质谱计。
分离和检测不同同位素的仪器。
即根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。
质谱仪以离子源、质量分析器和离子检测器为核心。
离子源是使试样分子在高真空条件下离子化的装置。
电离后的分子因接受了过多的能量会进一步碎裂成较小质量的多种碎片离子和中性粒子。
它们在加速电场作用下获取具有相同能量的平均动能而进入质量分析器。
质量分析器是将同时进入其中的不同质量的离子，按质荷比m/z大小分离的装置。
分离后的离子依次进入离子检测器，采集放大离子信号，经计算机处理，绘制成质谱图。
离子源、质量分析器和离子检测器都各有多种类型。
质谱仪按应用范围分为同位素质谱仪、无机质谱仪和有机质谱仪；按分辨本领分为高分辨、中分辨和低分辨质谱仪；按工作原理分为静态仪器和动态仪器。
用法分离和检测不同同位素的仪器。
仪器的主要装置放在真空中。
将物质气化、电离成离子束，经电压加速和聚焦，然后通过磁场电场区，不同质量的离子受到磁场电场的偏转不同，聚焦在不同的位置，从而获得不同同位素的质量谱。
质谱方法最早于1913年由J.J.汤姆孙确定，以后经 F.W.阿斯顿等人改进完善。
现代质谱仪经过不断改进，仍然利用电磁学原理，使离子束按荷质比分离。
质谱仪的性能指标是它的分辨率，如果质谱仪恰能分辨质量m和m＋Δm，分辨率定义为m／Δm。
现代质谱仪的分辨率达105 ～106 量级，可测量原子质量精确到小数点后7位数字。
质谱仪最重要的应用是分离同位素并测定它们的原子质量及相对丰度。
测定原子质量的精度超过化学测量方法，大约2／3以上的原子的精确质量是用质谱方法测定的。
由于质量和能量的当量关系，由此可得到有关核结构与核结合能的知识。
对于可通过矿石中提取的。
带电粒子在磁场中的运动规律
带电粒子在磁场中的运动规律带电粒子在磁场内的运动是一个非常复杂的过程。
这个过程涉及到许多物理学的概念，如磁场、电荷、力和加速度等。
本文将探讨带电粒子在磁场中的运动规律，从而深入理解这一过程。
磁场和电荷在讨论带电粒子在磁场中的运动规律之前，我们需要了解一些有关磁场和电荷的知识。
磁场是由磁荷（南极和北极）产生的。
磁荷和电荷不同，因为电荷可以是正或负的，但磁荷只会是正或负的。
磁场可以通过放置一个长直导线产生，导线周围会产生一个强磁场。
这是因为电流在导线中流动，导线周围的磁荷会相互作用产生磁场。
电荷是一种基本的物理量。
一个物体可以带上正或负的电荷。
若是一个物体上拥有过多的电荷，超出了它能承受的程度，它就可能产生火花或闪电。
电荷可以通过摩擦产生，比如将橡胶棒擦过头发。
力和加速度当一个物体在磁场中运动时，会受到相互作用的力。
这个力可以通过以下公式计算：F=qvBsinθ，其中F代表力，q代表电荷量，V代表速度，B代表磁场，θ代表电荷速度与磁场方向之间的夹角。
这个公式也称为洛伦兹力。
假如带电粒子在磁场中运动，则会产生加速度。
这个加速度可以通过以下公式计算：a=F/m，其中a代表加速度，F代表力，m代表质量。
当带电粒子在磁场中运动时，它会沿着磁场线方向运动。
这个方向可以通过右手定则获得。
右手握住导线或带电粒子，右手大拇指指向电流的方向，四指弯曲的方向即为磁场方向。
当带电粒子垂直于磁场方向运动时，会发生什么？电荷速度与磁场方向成90度的时候，洛伦兹力最大，但在这个状态下加速度却为零。
这是因为当洛伦兹力和物体的运动方向成90度时，它不会改变速度的大小，但会改变方向。
如果带电粒子不是垂直于磁场方向运动，其运动路径会弯曲，直到物体沿着磁场方向运动。
这个运动路径可以用以下公式计算：r=mv/qB，其中r代表运动半径，m代表质量。
带电粒子在磁场中的运动规律还包括：轨道的半径与粒子的质量成正比，质谱仪会利用这一特点来分析质量。
高中物理(3-1)最基础考点系列考点31 质谱仪 含解析
质谱仪(选修3-1第三章:磁场的第六节带电粒子在匀强磁场中的运动)★★★○○○○质谱仪：根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，制造出的能够分离和检测不同同位素的仪器。
1、构造：如图甲所示,由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成。
2、原理：粒子由静止被加速电场加速，根据动能定理可得关系式qU＝错误!mv2。
粒子在磁场中受洛伦兹力作用而偏转，做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律得关系式qvB＝m错误!。
由两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。
粒子轨道半径r＝错误!错误!,粒子质量m＝错误!，比荷错误!＝错误!。
质谱仪的主要特征将质量数不等，电荷数相等的带电粒子经同一电场加速后进入偏转磁场.各粒子由于轨道半径不同而分离，其轨道半径r＝错误!＝错误!＝错误!＝错误!错误!.在上式中，B、U、q对同一元素均为常量，故r∝错误!，根据不同的半径，就可计算出粒子的质量或比荷。
例:(多选）（2009年高考广东物理）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和匀强电场分别为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下方有磁感应强度为B0的匀强磁场.下列表述正确的是（）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内C．能通过的狭缝P的带电粒子的速率等于E/BD．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小【答案】AC1、(2015-2016学年陕西省三原县北城中学高二第四次月考)如图所示,有A、B、C、D四个离子，它们带等量的同种电荷，质量关系m A=m B<m C=m D，以不等的速度v A<v B=v C<v D进入速度选择器后,只有两种离子从速度选择器中射出,进入B2磁场,由此可以判断A．离子应带负电B．进入B2磁场的离子是C、D离子C．到达b位置的是C离子D．到达a位置的是C离子【答案】D【点拨】本题题干虽然没有明确说明该装置为质谱仪,但也能判断出来，明确只有速度满足一定条件时才能通过速度选择器，由洛仑兹力提供向心力能够推导出粒子偏转半径公式，判断半径与哪些因素有关.2、(2016全国新课标I 卷，15）现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示,其中加速电压恒定.质子在入口处从静止开始被加速电场加速,经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。
带电粒子在磁场中的运动 质谱仪
3.6 带电粒子在磁场中的运动质谱仪教学目的1、理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度方向垂直时，做匀速圆周运动．2、会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题．3、知道质谱仪的工作原理．能力要求1.通过推理、判断带电粒子在磁场中的运动性质的过程，培养学生严密的逻辑推理能力．2.通过学习质谱仪的工作原理，让学生认识先进科技的发展，有助于培养学生对物理的学习兴趣．重点难点1.带电粒子垂直射入匀强磁场中的运动半径和运动周期．2.确定垂直射入匀强磁场中的带电粒子运动是匀速圆周运动．教具演示用特制的电子射线管。
教学过程1、引入新课上一节我们学习了洛仑兹力的概念，我们知道带电粒子垂直磁场方向运动时，会受到大小，方向始终与速度方向垂直的洛仑兹力作用，今天我们来研究一下，受洛仑兹力作用的带电粒子是如何运动的？2、粒子为什么做匀速圆周的运动？首先通过演示实验观察到，当带电粒子的初速度方向与匀强磁场方向垂直时，粒子的运动轨道是圆．在力学中我们学习过，物体作匀速圆周运动的条件是物体所受的合外力大小不变，方向始终与速度方向垂直．当带电粒子垂直于匀强磁场方向运动时，通常它的重力可以忽略不计（请同学们讨论），可看作只受洛仑兹力作用，洛仑兹力方向和速度方向在同一个平面内，由于洛仑兹力方向总与速度方向垂直，因而它对带电粒子不做功，根据动能定理可知运动粒子的速度大小不变，再由可知，粒子在运动过程中所受洛仑兹力的大小即合外力的大小不变，根据物体作匀速圆周运动的条件得出带电粒子垂直匀强磁场运动时，作匀速圆周运动．3、粒子运动的轨道半径和周期公式带电粒子垂直于匀强磁场方向运动时做匀速圆周运动，其向心力等于洛仑兹力，请同学们根据牛顿第二定律，推导带电粒子的运动半径和周期公式．经过推导得出粒子运动半径，运动周期。
运用学过的力学知识理解，当粒子运动速度较大时，粒子要离心运动，其运动半径增大，所以速度大，半径也大；当磁场较强时，运动电荷受洛仑兹力增大，粒子要向心运动，其运动半径减小，所以磁感应强度大，半径小．由于带电粒子运动速度大时，其运动半径大，运动轨迹也长，可以理解粒子运动的周期与速度的大小和轨道半径无关．为了加深同学们对半径和周期公式的理解，举下面的例题加以练习．［例1］同一种带电粒子以不同的速度垂直射入匀强磁场中，其运动轨迹如图所示，则可知（1）带电粒子进入磁场的速度值有几个？（2）这些速度的大小关系为．（3）三束粒子从O点出发分别到达1、2、3点所用时间关系为．质谱仪首先请同学们阅读课本上例题的分析求解过程，然后组织学生讨论质谱仪的工作原理．总结、扩展本节课我们学习了带电粒子垂直于匀强磁场运动的情况，经过实验演示和理论分析得出粒子做匀速圆周运动．并根据牛顿运动定律得出粒子运动的半径公式和周期公式．最后我们讨论了它的一个具体应用——质谱仪．但应注意的是如果带电粒子速度方向不是垂直匀强磁场方向时，带电粒子将不再是作匀速圆周运动．布置作业（1）P108（1）～（5）板书设计3.6 带电粒子在磁场中的运动质谱仪一、运动轨迹粒子作匀速圆周运动．二、半径和周期运动半径：运动周期：三、质谱仪。
高考物理质谱仪知识点
高考物理质谱仪知识点质谱仪（Mass Spectrometer）是一种科学仪器，用于对物质的组成、结构和性质进行分析和研究。
在高考物理考试中，质谱仪也是一个重要的知识点。
本文将介绍质谱仪的原理、结构和应用等方面的知识。
一、质谱仪的原理质谱仪的基本原理是利用物质在电场和磁场中的作用下，通过质量分离和荷质比测定来分析样品的组成。
它主要包括以下几个过程：1. 源化过程：将样品转化为气态、液态或固态的粒子，以便进入质谱仪进行分析。
2. 离子化过程：经过源化后的样品粒子被电离，即给予或夺去电子，形成带电的粒子，通常是正离子。
3. 加速过程：将电离后的带电粒子加速到一定速度，以便进一步进行分离和检测。
4. 分离过程：带电粒子在磁场中进行运动，根据其荷质比的不同，在磁场中呈现出不同的轨迹，并最终形成质谱图。
5. 检测过程：通过检测带电粒子的荷质比，获得质谱图谱，从而分析样品的组成和性质。
二、质谱仪的结构质谱仪的结构主要包括离子源、质量分析器和检测器。
1. 离子源：质谱仪的样品通过离子源进行离子化。
常用的离子源有电离（EI）、化学电离（CI）、电子轰击（EI）等。
2. 质量分析器：质量分析器用来分离离子，根据其质量和荷质比的不同，将离子引导至不同的轨道。
常见的质量分析器有磁扇形质量分析器和四极质谱仪等。
3. 检测器：质谱仪的检测器用来检测分离后的离子，通常是通过测量离子电流来获得质谱图谱。
常用的检测器有离子倍增管和多道分析器。
三、质谱仪的应用质谱仪在科学研究和实际应用中有着广泛的应用。
1. 有机物分析：质谱仪可以用于有机物的结构和组成分析，例如对有机化合物进行质谱分析，从而确定其分子式、结构和质谱图谱。
2. 环境监测：质谱仪可以用于环境中的污染物检测，例如检测大气中的有害气体和水体中的有机物质，从而提供环境保护和治理的依据。
3. 药物研发：质谱仪在药物研发过程中也有重要应用，例如对药物的质量控制、药物代谢产物的分析等。
1.3带电粒子在磁场中的运动2023-2024学年高二下学期物理人教版(2019)选择性必修第二册
仿真实验辅助下的高中物理大单元教学设计----以“带电粒子在磁场中的运动”为例高二年级第一学期，学时（2课时）1、教材分析（人教版2019选择性必修二）①本章节主要讲述了带电粒子在匀强磁场中的运动规律，涉及到洛伦兹力、磁感应强度以及带电粒子在磁场中的速度、加速度等概念，为后续章节奠定基础。
②教材重点介绍了带电粒子在磁场中的三种运动情况：直线运动、圆周运动和螺旋运动，并讨论了它们的条件与应用。
③本章节还涉及到磁场对带电粒子运动轨迹的影响，使学生了解磁场对物体运动的影响，并理解磁场在生活中的实际应用。
④教材内容紧密结合实际生活，如质谱仪、同旋加速器、速度选择器、磁流体发电机等应用实例，有助于激发学生的学习兴趣和探究欲望。
2、学情分析①学生已经掌握了带电粒子在电场中的运动规律，有一定的物理基础，但是磁场对带电粒子的影响是一个新的领域，需要引导学生进行理解与探讨。
②部分学生可能对磁场概念抽象，难以理解磁场与带电粒子运动之间的关系，需要通过仿真实验模拟粒子运动形态帮助学生加深理解。
③学生对磁场的应用和带电粒子在磁场中的运动规律具有一定的好奇心和探究欲望，有利于培养学生的科学探究能力。
④部分学生可能存在思维定势，认为磁场和电场没有太大区别，需要通过对比分析引导学生正确理解磁场与电场的区别。
3、核心素养3.1.物理观念①让学生认识并理解洛伦兹力、磁感应强度等基本概念。
②帮助学生掌握带电粒子在磁场中直线运动、圆周运动和螺旋运动的条件与特点。
③通过仿真实验让学生理解磁场对带电粒子运动轨迹的影响，激发学生对磁场应用的兴趣和探究欲望。
3.2.科学思维①培养学生运用洛伦兹力、磁感应强度等概念分析带电粒子在磁场中的运动，提高学生的分析和解决问题能力。
②引导学生通过对比带电粒子在磁场和电场中的运动特点，发现它们的区别与联系，培养学生的归纳与综合思维能力。
③培养学生通过实验和实际例子来验证磁场对带电粒子运动的影响，提高学生的实践操作能力和创新思维。
高二物理说课稿带电粒子在磁场中的运动
为⼤家整理的⾼⼆物理说课稿带电粒⼦在磁场中的运动⽂章,供⼤家学习参考！更多最新信息请点击教材分析1.教材的地位和作⽤：《磁场》⼀章讲述电磁关系中基本概念之⼀的磁场以及磁场与带电物体之间的⼒学联系，是⾼⼆电磁部分的重点章节之⼀，⽽本节课则⼜是此章的重中之重，在历届⾼考命题中特别是综合计算题部分屡次出现，是本章教学中不可忽视的⼀个重要环节。
在教学⼤纲中“带电粒⼦在磁场中的运动”为B级要求，“质谱仪”为A级要求。
本节课的理论基础是⼒学部分曲线运动知识尤其是匀速圆周运动和向⼼⼒相关内容以及前⼀节洛仑兹⼒概念和特点等内容。
因此这⼀节既是⼒学部分和电磁学部分旧知识的回忆复习，⼜是将这两部分有机整合进⾏全新理论的构建过程。
通过本节学习，学⽣⼀⽅⾯加强了洛仑兹⼒作⽤特点的认识以及匀速圆周运动向⼼⼒概念的把握，另⼀⽅⾯将两者结合最终得出带电粒⼦在磁场中的运动规律，学⽣能够充分体会到物理知识的联系性和规律性，这不光有助于他们学会知识，⽽且使他们会学知识，学好本节内容将增强学⽣科学素质，能为今后进⼀步更好地掌握学习⽅法打下基础。
2.教学⽬标：知识⽬标①理解带电粒⼦的初速度⽅向与磁感应强度⽅向垂直时，做匀速圆周运动②会推导带电粒⼦在磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会⽤它们解决有关问题③知道质谱仪的⼯作原理能⼒⽬标：①通过回忆洛仑兹⼒⽅向与观察演⽰实验——带电粒⼦轨迹特点相结合分析培养学⽣透过现象抓住内在本质联系的洞察能⼒②通过引导学⽣建⽴向⼼⼒与洛仑兹⼒等量关系使其⾃⾏推导周期半径公式培养学⽣逻辑推理能⼒情感⽬标：质谱仪将基本的带电粒⼦在磁场中运动规律直接推⾄科研最前沿——同位素的分析测定，让学⽣亲⾝体会到物理知识对于⼈类认识与改造世界过程中所起的巨⼤作⽤，这将⿎励学⽣树⽴远⼤理想，使他们充满信⼼地在科学海洋中畅游。
3.教学重点与难点：重点：①带电粒⼦垂直进⼊匀强磁场作何种运动，以及此运动特点和产⽣原因②半径与周期公式在处理问题中的运⽤③质谱仪⼯作原理难点：本节难点为①确定垂直进⼊匀强磁场中的带电粒⼦运动是垂直磁场平⾯上的匀速圆周运动，②半径公式与周期公式和粒⼦动量、能量等结合应⽤。
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第五节带电粒子在磁场中的运动质谱仪
教学目标：
1.理解洛伦兹力对粒子不做功.
2.理解带电粒子的初速度方向与磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动.
3.会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题.
4.知道质谱仪的工作原理.
教学重点：掌握带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径和周期公式，并能用来分析有关问题.
教学难点：
1.粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动.
2.综合运用力学知识、电磁学知识解决带电粒子在复合场中的问题.
教学方法：分析推导法、阅读法.
教学用具：电子射线管、环形线圈、电源、投影仪、投影片、滑动变阻器.
教学过程：
一、复习提问，引入新课
［问题］什么是洛伦兹力？
［学生答］磁场对运动电荷的作用力.
［问题］带电粒子在磁场中是否一定受洛伦兹力？
［学生答］不一定，洛伦兹力的计算公式为f=qvB sinθ，θ为电荷运动方向与磁场方向的夹角，当θ=90°时，f=qvB;当θ=0°时，f=0.
［问题］带电粒子垂直磁场方向进入匀强磁场时会做什么运动呢？今天我们来学习——带电粒子在磁场中的运动、质谱仪.
二、新课教学
［演示实验］介绍电子射线管的工作原理，进行实验.
教师讲述电子射线管的工作原理：由电子枪发出的电子射线可以使管内的低压水银蒸气发出辉光，显示出电子的径迹.
教师进行演示实验.
［实验现象］在暗室中可以清楚地看到，在没有磁场作用时，电子的径迹是直线；在管外加上匀强磁场（这个磁场是由两个平行的通电环形线圈产生的），电子的径迹变弯曲成圆形.
［教师引导学生分析得出结论］
当带电粒子的初速度方向与磁场方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动.
带电粒子垂直进入匀强磁场中的受力及运动情况分析.
［出示投影片］
1.电子受到怎样的力的作用？这个力和电子的速度的关系是怎样的？
2.洛伦兹力对电子的运动有什么作用？
3.有没有其他力作用使电子离开与磁场方向垂直的平面？
4.洛伦兹力做功吗？
［学生答］
1.电子受到垂直于速度方向的洛伦兹力的作用.
2.洛伦兹力只改变速度的方向，不改变速度的大小.
3.没有力作用使电子离开与磁场方向垂直的平面.
4.洛伦兹力对运动电荷不做功.
［板书］带电粒子垂直进入匀强磁场中，粒子在垂直磁场方向的平面内做匀速圆周运动，此洛伦兹力不做功.
［过渡句］带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，其轨道半径r 和周期T 为多大呢？ ［出示投影片］一带电量为q ，质量为m ,速度为v 的带电粒子垂直进入磁感应强度为B 的匀强磁场中，其半径r 和周期T 为多大？
［问题］什么力给带电粒子做圆周运动提供向心力？
［学生答］洛伦兹力给带电粒子做圆周运动提供向心力？
［问题］向心力的计算公式是什么？
［学生答］F =m r
v 2
［教师推导］粒子做匀速圆周运动所需的向心力F =m r
v 2
是由粒子所受的洛伦兹力提供的，所以qvB =m r v 2，由此得出r =qB
m v T =qB m v r ππ22=可得T =qB
m π2 ［板书］带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的轨道半径及周期公式.
r =qB
m v ，T =qB m π2 说明：（1）轨道半径和粒子的运动速率成正比.
（2）带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期跟轨道半径和运动速率无关.
讨论：在匀强磁场中如果带电粒子的运动方向不和磁感应强度方向垂直，它的运动轨道是什么样的曲线？
分析：把带电粒子的速度分解为垂直于B 的分量v 1和平行于B 的分量v 2，因为v 1和B 垂直，受到洛伦兹力qv 1B ，此力使粒子q 在垂直于B 的平面内做匀速圆周运动，v 1和B 平行，不受洛伦兹力，故粒子在沿B 方向上做匀速直线运动，可见粒子的运动轨迹是一等距螺旋线.
［投影片出示例题］
例1 H 11、H 21、He 42它们以下列情况垂直进入同一匀强磁场，求轨道半径之比.
（1）具有相同速度
（2）具有相同动量
（3）具有相同动能
解答：依据qvB =mv 2/r 得r =mv /qB
（1）v 、B 相同，所以r ∝q m ，所以r 1∶r 2∶r 3=11q m ∶2
2q m ∶33q m =1∶2∶2 （2）因为mv 、B 相同，所以r ∝1/q ,r 1∶r 2∶r 3=2∶2∶1.
（3）221mv 相同，v ∝m 1,B 相同，所以r ∝q
m . 所以r 1∶r 2∶r 3=1∶2∶1.
例2 如图所示，一质量为m ，电荷量为q 的粒子从容器
A 下方小孔S 1飘入电势差为u 的加速电场，然后让粒子垂直进
入磁感应强度为B 的磁场中，最后打到底片D 上.
(1)粒子在S 1区做什么运动?
(2)在S 2区做何种运动，在S 3区将做何种运动?
(3)假如粒子沿一半圆运动打到底片D 上，B 距离D 多远？
解答：(1)粒子在S 1区做初速度为零的匀加速直线运动.
（2）在S 2区做匀速直线运动，在S 3区做匀速圆周运动.
（3）由动能定理知，粒子在电场中得到的动能等于电场对它所做的功，即
qu mv 22
1 由此可得v =m qu /2.
粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径为r =mv/qB =2/2qB mu ［教师讲解］进入同一磁场时，r ∝q
m ，而且这些个量中，u 、B 、r 可以直接测量，那么，我们可以用装置来测量荷质比.
阅读课文，回答以下问题：
1.试述质谱仪的结构.
2.试述质谱仪的工作原理.
3.什么是同位素？
4.质谱仪最初是由谁设计的？
5.试述质谱仪的主要用途.
阅读后学生回答：
1.质谱仪由静电加速极、偏转磁场、显示屏等组成.
2.电荷量相同而质量有微小差别的粒子，它们进入磁场后将沿着不同的半径做圆周运动，打到照相底片不同的地方，在底片上形成若干谱线状的细条，叫质谱线，每一条对应于一定的质量，从谱线的位置可以知道圆周的半径r ，如果再已知带电粒子的电荷量q ，就可算出它的质量.
3.质子数相同而质量数不同的原子互称为同位素.
4.质谱仪最初是由汤姆生的学生阿斯顿设计.
5.质谱仪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.
三、课堂练习
1.匀强磁场中，有两个电子分别以速率v 和2v 沿垂直于磁场方向运动，哪个电子先回到原来的出发点？
［学生答］因为电子在匀强磁场中的运动周期和电子的速率无关，所以两个电子同时回到原来的出发点.
2.质子和一价钠离子分别垂直进入同一匀强磁场中做匀速圆周运动，如果它们的圆运动
半径恰好相等，这说明它们在刚进入磁场时_______
A.速率相等
B.动量大小相等
C.动能相等
D.质量相等 ［学生答］B
3.带电粒子在磁场和电场中受力有什么区别呢？
［教师引导学生分析得出结论］
1.电场对静止或运动的带电粒子都有电场力（库仑力）的作用.磁场只对运动的带电粒子有磁场力（洛伦兹力）的作用（条件是v 与B 不平行）.
2.库仑力跟电场强度E 的方向相同（正电荷）或相反（负电荷），洛伦兹力跟磁感应强度B 的方向垂直.
3.库仑力不受粒子运动速度的影响，洛伦兹力则与粒子运动速度有关.
4.库仑力可以使带电离子加速和偏转，而洛伦兹力只能使带电离子偏转.
四、小结
本节课我们主要学习了
1.洛伦兹力对带电粒子不做功.
2.带电粒子的初速度方向和磁感应强度的方向垂直时，粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动.
3.会推导带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径、周期公式，并会用它们解答有关问题.
4.知道质谱仪的工作原理.
五、板书设计
1.带电粒子垂直进入匀强磁场中时，粒子在垂直磁场方向的平面内做匀速圆周运动，此洛伦兹力不做功.
2.半径和周期公式的推导
由qvB =m R
v 2
可得R =mv/qB T =qB
m v R ππ22= 说明：（1）轨道半径和带电粒子的运动速率成正比.
（2）带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期跟轨道半径和运动速率无关.
3.质谱仪
（1）结构 （2）工作原理
六、作业：创新作业 P 119 1—5。