质谱仪回旋加速器

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质谱仪与回旋加速器

（3）在c中，e受洛伦兹力作用而做圆周运动，回转半径
R = mv ，代入v值得
eB2
R = 1 2U1m B2 e
4.回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属盒，两盒分别和一高频交流电源两极相连，以便在盒间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝都得到加速，两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子电
实际并非如此。这是因为当粒子的速率大到接近光速时，按照相对论原理，粒子的质量将随速率增大而明显地增加，从而使粒子的回旋周期也随之变化，这就破坏了加速器的同步条件。
【例2】1932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( D )
荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rm，其运动轨迹如图所示，问：
(1)盒中有无电场？ (2)粒子在盒内做何种运动？ (3)所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？ (4)粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多少？
(5)设两D形盒间电场的电势差为U，求加速到上述能量所需的时间。(不计
粒子在电场中运动的时间)
第一章安培力与洛伦兹力 4.质谱仪与回旋加速器
在科学研究和工业生产中，常需要将一束
带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？
美国费米实验室的回旋加速器直径长达2km，回旋加速器的直径为什么要这么大呢？
了解质谱仪和回旋加速器的工作原理。
解析：加速：qU 1 mv2 2
偏转：R mv 1 d qB 2
R 1 d 1 2mU 2 Bq

质谱仪、回旋加速器和带电粒子在交变电磁场中运动(解析版)—三年(2022-2024)高考物理真题汇编

质谱仪、回旋加速器和带电粒子在交变电磁场中运动考点01质谱仪和回旋加速器1. （2024年高考甘肃卷）质谱仪是科学研究中的重要仪器，其原理如图所示。

Ⅰ为粒子加速器，加速电压为U ；Ⅱ为速度选择器，匀强电场的电场强度大小为1E ，方向沿纸面向下，匀强磁场的磁感应强度大小为1B ，方向垂直纸面向里；Ⅲ为偏转分离器，匀强磁场的磁感应强度大小为2B ，方向垂直纸面向里。

从S 点释放初速度为零的带电粒子（不计重力），加速后进入速度选择器做直线运动、再由O 点进入分离器做圆周运动，最后打到照相底片的P 点处，运动轨迹如图中虚线所示。

（1）粒子带正电还是负电？求粒子的比荷。

（2）求O 点到P 点的距离。

（3）若速度选择器Ⅱ中匀强电场的电场强度大小变为2E （2E 略大于1E ），方向不变，粒子恰好垂直打在速度选择器右挡板的O ¢点上。

求粒子打在O ¢点的速度大小。

【答案】（1）带正电，21212E UB ；（2）1124UB E B ；（3）2112E E B -【解析】（1）由于粒子向上偏转，根据左手定则可知粒子带正电；设粒子的质量为m ，电荷量为q ，粒子进入速度选择器时的速度为0v ，在速度选择器中粒子做匀速直线运动，由平衡条件011qv B qE =在加速电场中，由动能定理2012qU mv =联立解得，粒子的比荷为21212E q m UB =（2）由洛伦兹力提供向心力2002v qv B mr=可得O 点到P 点的距离为11242UB OP r E B ==（3）粒子进入Ⅱ瞬间，粒子受到向上的洛伦兹力01F qv B =洛向下的电场力2F qE =由于21E E ＞，且011qv B qE =所以通过配速法，如图所示其中满足2011()qE q v v B =+则粒子在速度选择器中水平向右以速度01v v +做匀速运动的同时，竖直方向以1v 做匀速圆周运动，当速度转向到水平向右时，满足垂直打在速度选择器右挡板的O ¢点的要求，故此时粒子打在O ¢点的速度大小为2101112E E v v v v B -¢=++=2. （2023高考福建卷）阿斯顿（F ．Aston ）借助自己发明的质谱仪发现了氖等元素的同位素而获得诺贝尔奖，质谱仪分析同位素简化的工作原理如图所示。

回旋加速器和质谱仪

例5：如图，两个共轴的圆筒形金属电极，外电极接地，其上均匀分：如图，两个共轴的圆筒形金属电极，外电极接地，布着平行于轴线的四条狭缝ａ、ｂ、ｃｄ，外筒的外半径为ａ、ｂ、ｃ和外筒的外半径为ｒ布着平行于轴线的四条狭缝ａ、ｂ、ｃ和ｄ，外筒的外半径为ｒ０，在圆筒之外的足够大区域中有平行于轴线方向的均匀磁场，筒之外的足够大区域中有平行于轴线方向的均匀磁场，磁感强度的大小Ｂ。在两极间加上电压使两圆筒之间的区域内有沿向外的电场。在两极间加上电压，为Ｂ。在两极间加上电压，使两圆筒之间的区域内有沿向外的电场。一质量为ｍ、带电量为＋ｑ的粒子，从紧靠内筒且正对狭缝ａｍ、带电量为＋ｑ的粒子点出发，质量为ｍ、带电量为＋ｑ的粒子，从紧靠内筒且正对狭缝ａ的Ｓ点出发，初速为零。如果该粒子经过一段时间的运动之后恰好又回到出发点Ｓ，初速为零。如果该粒子经过一段时间的运动之后恰好又回到出发点Ｓ，则两电极之间的电压Ｕ应是多少？（不计重力，整个装置在真空中）？（不计重力则两电极之间的电压Ｕ应是多少？（不计重力，整个装置在真空中）
3、推导推导
加速：qU =
1 2 mv 2
mv 1 偏转：R = = d qB 2
1 1 2mU R= d = 2 B q
二、回旋加速器
1、带电粒子在两D形盒中回旋周、带电粒子在两形盒中回旋周期等于两盒狭缝之间高频电场的变化周期，的变化周期，粒子每经过一个周期，周期，被电场加速二次
V1
V5 V3
V2
V0
V4 2、将带电粒子在狭缝之间的运动首尾连接起、来是一个初速度为零的匀加速直线运动
3、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次，、带电粒子每经电场加速一次，回旋半径就增大一次， ⊿ E K ＝ qU 每次增加的动能为所有各次半径之比为：所有各次半径之比为：∶ 2∶ 3∶... 1 4、对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的。、对于同一回旋加速器，其粒子的回旋的最大半径是相同的。

1.4质谱仪与回旋加速器

U
E B1
qvB1 qE
E
v
B2
B1
L
r mv
q v
B2 q
m B2r
r L 2
q 2E
m B1B2 L
三.回旋加速器
1.回旋加速器的构造：（1）粒子源（2）两个D形盒（3）匀强磁场（4）交变电场
说明：两D形盒中有匀强磁场无电场，盒间缝隙有交变电场
三.回旋加速器 2.回旋加速器的原理：
500Gev—1000Gev
科学与技术在相互作用中发展进步
四.磁流体发电机
A R
B
▪ 在电磁场的共同作用下 UAB =Ed=Bdv时达平衡，离子不再偏转
▪ 对外供电时UAB =Bdv时达动态平衡
四.磁流体发电机
磁流体发电机
四.磁流体发电机选择性必修二P11
qvB qE qvB q U
d U Bdv
设电流强度为I，电荷定向移动速度为V，上下两侧电压为U
稳定时：
Bev Ee
Bv U L
U BLvL(1)
B
d
I
L
U
++++++++
六.霍尔效应
又 I nesv （n为单位体积自由电荷数）
v I I nes neLd
B
d I
L
U
++++++++
(2)式代入(1)式
U BI 1 BI k BI ned ne d d
1 2
mv 2max
q2 2m
B2R2
nqU
1 2
mvn 2

第一章4质谱仪与回旋加速器

第一章 4 质谱仪与回旋加速器问题？在科学研究和工业生产中，常需要将一束带等量电荷的粒子分开，以便知道其中所含物质的成分。

利用所学的知识，你能设计一个方案，以便分开电荷量相同、质量不同的带电粒子吗？质谱仪我们都知道，电场可以对带电粒子产生作用力，而磁场同样可以对运动中的带电粒子施加作用力。

因此，我们可以利用电场和磁场来控制带电粒子的运动。

通过电场，我们可以让带电粒子获得一定的速度；而利用磁场，则可以让粒子进行圆周运动。

根据公式 r = 我们可以看出，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的半径与质量有关。

如果磁场强度(B)和速度(v)相同，但质量(m)不同，那么半径(r)也会有所不同。

这样一来，我们就可以利用这种差异将不同的粒子分开。

在19世纪末，汤姆孙的学生受到这一想法的启发，设计出了质谱仪。

利用质谱仪，他发现了氖-20和氖-22这两种同位素，从而证实了它们的存在。

随着时间的推移，质谱仪经过多次改进，已经发展成为一种非常精密的仪器，成为科学研究和工业生产领域中不可或缺的重要工具。

如图1.4-1所示，一个质量为m 、电荷量为q 的粒子从容器A 下方的小孔S1飘入电势差为U 的加速电场。

该粒子的初速度几乎为0,接着经过S3沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后撞击到照相底片D 上。

粒子进入磁场时的速度 v 等于它在电场中被加速而得到的速度。

由动能定理得m v 2 = qU由此可知v = （1）AU SB 7 7 7 7 7SS图1.4-1 质谱仪工作原理粒子在磁场中只受洛伦兹力的作用，做匀速圆周运动，圆周的半径为r = （2）把第（1）式中的v代入（2）式，得出粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径r如果容器 A 中粒子的电荷量相同而质量不同，它们进入匀强磁场后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地方。

在实际操作中，我们通常会让中性的气体分子进入电离室A,在那里它们会被电离成带电的离子。

物理人教版(2019)选择性必修第二册1.4质谱仪与回旋加速器(共17张ppt)

盒射出时的动能与加速电压的大小无关
4.回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D形金属盒，两盒分别和一高频交流电源两极相连，以便在盒间的窄缝
中形成匀强电场，使粒子每次穿过窄缝都得到加速，两盒放在磁感应强度为 B的匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子电荷量为q，质量为m，粒子最大回旋半径为Rm，其运动轨迹如图所示: (1)盒中有无电场？ (2)粒子在盒内做何种运动？ (3)所加交流电频率应是多大，粒子角速度为多大？ (4)粒子离开加速器时速度是多大，最大动能为多少？ (5)设两D形盒间电场的电势差为U，求加速到上述能量所需的时间．(不计粒子在电场中运动的时间)
3.(多选)用回旋加速器对粒子进行加速，可以获得高能带电粒子，两个D
形盒与电压有效值为U的高频交流电源的两极相连(频率可调)，在两盒
间的狭缝中形成周期性变化的电场，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，磁感应强度为B，如图所示，
粒子由速度为零开始加速，不计粒子在两极板间运动的时间，关于回旋
• 直线加速器的缺点：体积通常较大，占地面积大。
• 能不能建造一种加速器，在较小的空间范围内让粒子经过多次加速获得所需要的能量呢？
• 1932年美国科学家劳伦斯发明了回旋加速器，巧妙的应用带电粒子在磁场中运动特点解决了这一问题。
一. 回旋加速器 1.构造: 如图，D1、D2是半圆金属盒，D形盒处于匀强磁场中，D形盒的缝隙处接交流电源．
是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，两盒分别与高频交流电源相连。带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示。忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断正确的是( ) D A.在Ek－t图像中应有t4－t3<t3－t2<t2－t1 B.加速电压越大，粒子最后获得的动能就越大 C.粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大 D.要想粒子获得的最大动能增大，可增加D形盒的面积

第4节质谱仪与回旋加速器教学课件

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第一章安培力与洛伦兹力
14
解析：由 r＝mqBv 知，当 r＝R 时，质子有最大速度 vm＝qBmR，即 B、R 越大，vm 越大，vm 与加速电压无关，A 正确，B、C 错误；由上面周期公式知氦核(42He)与质子做圆周运动的周期不同，故此装置不能用于加速度氦核(42He)，D 错误。
左手定则知，带电粒子所受的洛伦兹力方向竖直向上，则电场力的方向
竖直向下，知电场强度的方向竖直向下，所以速度选择器的 P1 极板带正电，B 错误；进入 B2 磁场中的粒子速度是一定的，根据 qvB＝mvr2 得 r
＝mqBv，知 r 越大，比荷
q m
越小，而质量 m 不一定大，C 正确，D 错误。
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B．速度选择器的 P1 极板带负电
√C．在 B2 磁场中运动半径越大的粒子，比荷
q m
越小
D．在 B2 磁场中运动半径越大的粒子，质量越大
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第一章安培力与洛伦兹力
12
解析：带电粒子在 B2 磁场中向下偏转，磁场的方向垂直于纸面向外，根据左手定则知，该束带电粒子带正电，A 错误；在平行金属板间，根据
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第一章安培力与洛伦兹力
7
知识点2Байду номын сангаас回旋加速器
1．回旋加速器的结构两个中空的__半__圆__金__属__盒____D1和D2，处于与盒面垂直的___匀__强__磁__场_____ 中，D1和D2间有一定的电势差，如图所示。
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第一章安培力与洛伦兹力
8
2．回旋加速器原理：带电粒子在 D 形盒中只受__洛__伦__兹__力______ 的作用

1.4质谱仪与回旋加速器(原卷版)

1.4质谱仪与回旋加速器基础导学要点一、质谱仪(1)原理图：如图所示。

(2)加速带电粒子进入质谱仪的加速电场，由动能定理得：qU ＝12mv 2。

① (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：qvB ＝mv 2r。

① (4)由①①两式可以求出粒子的运动半径r 、质量m 、比荷q m 等。

其中由r ＝1B2mU q可知电荷量相同时，半径将随质量变化。

(5)质谱仪的应用可以测定带电粒子的质量和分析同位素。

要点二．回旋加速器的结构和原理两个中空的半圆金属盒D 1和D 2，处于与盒面垂直的匀强磁场中，D 1和D 2间有一定的电势差，如图所示。

1．交变电压的周期：带电粒子做匀速圆周运动的周期T ＝2πm qB与速率、半径均无关，运动相等的时间(半个周期)后进入电场，为了保证带电粒子每次经过狭缝时都被加速，须在狭缝两侧加上跟带电粒子在D 形盒中运动周期相同的交变电压，所以交变电压的周期也与粒子的速率、半径无关，由带电粒子的比荷和磁场的磁感应强度决定。

2．带电粒子的最终能量：由r ＝mv qB知，当带电粒子的运动半径最大时，其速度也最大，若D 形盒半径为R ，则带电粒子的最终动能E km ＝q 2B 2R 22m。

可见，要提高加速粒子的最终能量，应尽可能地增大磁感应强度B 和D 形盒的半径R 。

3．粒子被加速次数的计算：粒子在回旋加速器盒中被加速的次数n ＝E km Uq(U 是加速电压的大小)，一个周期加速两次。

4．粒子在回旋加速器中运动的时间：在电场中运动的时间为t 1，在磁场中运动的时间为t 2＝n 2T ＝n πm qB(n 是粒子被加速次数)，总时间为t ＝t 1＋t 2，因为t 1①t 2，一般认为在盒内的时间近似等于t 2。

要点突破突破一：质谱仪1．电场和磁场都能对带电粒子施加影响，电场既能使带电粒子加速，又能使带电粒子偏转；磁场虽不能使带电粒子速率变化，但能使带电粒子发生偏转。

课件1：1.4质谱仪与回旋加速器

粒子才能通过速度选择器。
(3) 在偏转磁场中，带电粒子做匀速圆周运动，其运动半径为：r = mv
qB2
(4) 在偏转电场中，带电粒子的偏转距离为 x = 2 r
(5) 联立以上各式可得粒子的比荷和质量分别为
q m
=
8U B22 x22
m = qB22 x22 8U
由粒子质量公式可知，如果带电粒子的电荷量相同，质量有微小差别，就会打在照相底片上的不同位置，出现一系列的谱线，不同质量对应着不同的谱线，叫作质谱线。
例3：如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核(H)和氦核(He)。下列说法中正确的是( AC ) A．它们的最大速度相同 B．它们的最大动能相同 C．它们在D形盒中运动的周期相同 D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能
③交变电压的作用为保证粒子每次经过狭缝时都被加速，使之能量不断提高，需在狭缝两侧加上跟带电粒子在D形盒中运动周期相同的交变电压。
由于技术条件的限制，两极电压不可能无限提高，因此常常采用多级加速的办法。
在多级加速器中粒子做直线运动，加速装置要很长很长，占有的空间范围很大，在有限的空间范围内制造直线加速器受到一定的限制。
说明： 1. 粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期不变。 2. 因为两个D形盒之间的窄缝很小，所以带电粒子在电场中的加速时间可以忽略不计。 3. 回旋加速器加速的带电粒子，能量达到25 ~ 30MeV后。就很难加速了，原因是，按照狭义相对论，粒子的质量随着速度的增加而增大，而质量的变化会导致其回转周期的变化，从而破坏了与电场变化周期的同步。
1.4 质谱仪与回旋加速器

高中物理第一章第4节质谱仪与回旋加速器

第4节质谱仪与回旋加速器核心素养导学物理观念(1)了解质谱仪和回旋加速器的构造和工作原理。

(2)了解回旋加速器面临的技术难题。

科学思维经历质谱仪工作原理的推理过程，体会逻辑推理的思维方法。

科学探究探究质谱仪、回旋加速器、速度选择器、磁流体发电机、霍尔元件等的工作原理。

科学态度与责任体会科学与技术之间的相互影响，能了解科学、技术、社会、环境的关系，在理论与实践结合的过程中体会成功的喜悦。

一、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12m v2＝由此可知：v＝2qU m①粒子在磁场中只受洛伦兹力的作用，做匀速圆周运动的半径为r＝②由①②两式可得r＝1B2mUq可见：q相同而m不同的粒子，r不同，因而被分开，打在照相底片的不同地方。

又qm＝2UB2r2，可根据圆周运动的半径r，算出粒子的比荷qm。

3．应用：测量带电粒子的质量和分析同位素。

(1)粒子的运动是先在电场中加速，然后在磁场中偏转。

(2)比荷qm不同的粒子偏转距离不同。

二、回旋加速器1．多级加速器(1)各加速区的两极板用独立电源供电。

(2)要获得高能量的粒子，加速器装置要很长。

2．回旋加速器(1)构造：如图所示，D1、D2是两个中空的半圆金属盒，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：交流电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。

(3)周期：粒子每经过一次加速，其轨道半径就大一些，但粒子做圆周运动的周期不变。

1.如图所示是质谱仪示意图，它可以测定单个离子的质量，图中离子源S产生带电荷量为q的离子，经电压为U的电场加速后垂直射入磁感应强度为B的匀强磁场中，沿半圆轨道运动到记录它的照相底片P上。

判断下列说法的正误。

(1)只要带电粒子的电荷量相同，经加速电场加速后的末速度都相同。

第一章 4 质谱仪与回旋加速器

4 质谱仪与回旋加速器[学习目标] 1.知道质谱仪的构造及工作原理，会确定粒子在磁场中运动的半径，会求粒子的比荷.2.知道回旋加速器的构造及工作原理，知道交流电的周期与粒子在磁场中运动的周期之间的关系，知道决定粒子最大动能的因素．一、质谱仪1．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)加速：带电粒子经过电压为U 的加速电场加速，qU ＝12m v 2.由此可得v ＝2qUm. (2)偏转：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 ＝m v qB ，可得r ＝1B2mUq. 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． 4．应用：可以测定带电粒子的质量和分析同位素．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．判断下列说法的正误．(1)质谱仪工作时，在电场和磁场确定的情况下，同一带电粒子在磁场中的半径相同．( √ ) (2)因不同原子的质量不同，所以同位素在质谱仪中的轨迹半径不同．( √ ) (3)回旋加速器加速电场的周期可以不等于粒子的回旋周期．( × ) (4)回旋加速器中带电粒子的动能来自磁场．( × )一、质谱仪导学探究如图所示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 ，粒子从容器A 下方的小孔S 1飘入加速电场，其初速度几乎为0.则粒子进入磁场时的速度是多大？打在底片上的位置到S 3的距离多大？答案由动能定理知qU ＝12m v 2，则粒子进入磁场时的速度大小为v ＝2qUm，由于粒子在磁场中运动的轨迹半径为r ＝m v qB ＝1B 2mU q ，所以打在底片上的位置到S 3的距离为2B2mUq. 知识深化1．带电粒子运动分析(1)加速电场加速：根据动能定理，qU ＝12m v 2.(2)匀强磁场偏转：洛伦兹力提供向心力，q v B ＝m v 2r .(3)结论：r ＝1B2mU q ，测出半径r ，可以算出粒子的比荷qm.2．质谱仪区分同位素：由qU ＝12m v 2和q v B ＝m v 2r 可求得r ＝1B2mUq.同位素的电荷量q 相同，质量m 不同，在质谱仪照相底片上显示的位置就不同，故能据此区分同位素．例1 (2018·全国卷Ⅲ)如图，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U 加速后在纸面内水平向右运动，自M 点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直．已知甲种离子射入磁场的速度大小为v 1，并在磁场边界的N 点射出；乙种离子在MN 的中点射出；MN 长为l .不计重力影响和离子间的相互作用．求：(1)磁场的磁感应强度大小； (2)甲、乙两种离子的比荷之比．答案 (1)4Ul v 1(2)1∶4解析 (1)设甲种离子所带电荷量为q 1，质量为m 1，在磁场中做匀速圆周运动的半径为R 1，磁场的磁感应强度大小为B ，由动能定理有q 1U ＝12m 1v 12①由洛伦兹力公式和牛顿第二定律有q 1v 1B ＝m 1v 12R 1②由几何关系知2R 1＝l ③由①②③式得，磁场的磁感应强度大小为B ＝4Ul v 1.④(2)设乙种离子所带电荷量为q 2，质量为m 2，射入磁场的速度为v 2，在磁场中做匀速圆周运动的半径为R 2.同理有q 2U ＝12m 2v 22⑤q 2v 2B ＝m 2v 22R 2⑥由几何关系知2R 2＝l2⑦由①②③⑤⑥⑦式得，甲、乙两种离子的比荷之比为q 1m 1∶q 2m 2＝1∶4. 针对训练质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示．离子源S 0产生的各种不同正离子束(初速度可看作零)，经加速电场(加速电场极板间的距离为d 、电势差为U )加速，然后垂直进入磁感应强度为B 的有界匀强磁场中做匀速圆周运动，最后到达记录它的照相底片P 上．设离子在P 上的位置与入口处S 1之间的距离为x .(1)求该离子的比荷；(2)若离子源产生的是带电荷量为q 、质量为m 1和m 2的同位素离子(m 1>m 2)，它们分别到达照相底片的P 1、P 2位置(图中未画出)，求P 1、P 2间的距离Δx . 答案 (1)8U B 2x 2 (2)22qU Bq(m 1－m 2) 解析 (1)设该离子的质量为m ，带电荷量为q 0，离子在电场中加速，由动能定理得q 0U ＝12m v 2离子在磁场中做匀速圆周运动，由牛顿第二定律得 q 0v B ＝m v 2r ，其中r ＝x2解得q 0m ＝8UB 2x2.(2)设质量为m 1的离子在磁场中的运动半径是r 1，质量为m 2的离子在磁场中的运动半径是r 2，由(1)中分析得r 1＝2qUm 1Bq ，r 2＝2qUm 2Bq故P 1、P 2间的距离Δx ＝2(r 1－r 2)＝22qU Bq (m 1－m 2)．二、回旋加速器导学探究回旋加速器两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)回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？对交流电源的周期有什么要求？在一个周期内加速几次？(2)带电粒子获得的最大动能由哪些因素决定？如何提高粒子的最大动能？答案 (1)磁场的作用是使带电粒子回旋，电场的作用是使带电粒子加速．交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期．一个周期内加速两次．(2)当带电粒子速度最大时，其运动半径也最大，即r m ＝m v m Bq ，可得E km ＝q 2B 2r m 22m ，所以要提高带电粒子的最大动能，则应尽可能增大磁感应强度B 和D 形盒的半径r m .知识深化1．粒子被加速的条件交变电场的周期等于粒子在磁场中运动的周期． 2．粒子最终的能量粒子速度最大时的半径等于D 形盒的半径，即r m ＝R ，r m ＝m v mqB，则粒子的最大动能E km ＝q 2B 2R 22m. 3．提高粒子最终能量的措施：由E km ＝q 2B 2R 22m 可知，应增大磁感应强度B 和D 形盒的半径R .4．粒子被加速次数的计算：粒子在回旋加速器中被加速的次数n ＝E kmqU (U 是加速电压的大小)．5．粒子在回旋加速器中运动的时间：在电场中运动的时间为t 1，在磁场中运动的时间为t 2＝n 2·T ＝n πm qB (n 为加速次数)，总时间为t ＝t 1＋t 2，因为t 1≪t 2，一般认为在回旋加速器中运动的时间近似等于t 2.例2 (多选)1930年物理学家劳伦斯提出回旋加速器的理论，1932年首次研制成功．如图所示为两个半径为R 的中空半圆金属盒D 1、D 2置于真空中，金属盒D 1、D 2间接有电压为U 的交流电为粒子加速，金属盒D 1圆心O 处粒子源产生的粒子初速度为零．匀强磁场垂直两盒面，磁感应强度大小为B ，粒子运动过程不考虑相对论效应和重力的影响，忽略粒子在两金属盒之间运动的时间，下列说法正确的是( )A ．交流电的周期和粒子在磁场中运动的周期相同B ．加速电压U 越大，粒子最终射出D 形盒时的动能就越大C ．粒子最终射出D 形盒时的动能与加速电压U 无关 D ．粒子第一次加速后和第二次加速后速度之比是1∶ 2答案 ACD解析为了保证每次带电粒子经过狭缝时均被加速，使其能量不断提高，要在狭缝处加一个与粒子运动的周期一致的交流电，A 正确；粒子射出时圆周运动半径为R ，有：q v m B ＝m v m 2R ，解得最大速度为：v m ＝qBR m ，所以最大动能为：E km ＝12m v m 2＝q 2B 2R 22m ，与加速电压U 无关，B错误，C 正确；第一次加速：qU ＝12m v 12，解得：v 1＝2qU m ，第二次加速：qU ＝12m v 22－12m v 12，解得：v 2＝2qUm，所以粒子第一次加速后和第二次加速后速度之比是：v 1∶v 2＝1∶2，D 正确．例3 如图所示是回旋加速器的工作原理图，两个半径为R 的中空半圆金属盒D 1、D 2间窄缝宽为d ，两金属电极间接有高频电压U ，中心O 处粒子源产生质量为m 、电荷量为q 的粒子，匀强磁场垂直两盒面，粒子在磁场中做匀速圆周运动，设粒子在匀强磁场中运行的总时间为t ，则下列说法正确的是( )A ．粒子的比荷qm 越小，时间t 越大B ．加速电压U 越大，时间t 越大C ．磁感应强度B 越大，时间t 越大D ．窄缝宽度d 越大，时间t 越大答案 C解析带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，由洛伦兹力提供向心力得Bq v ＝m v 2r ，且粒子运动的最大半径为R ，则带电粒子获得的最大动能为E km ＝q 2B 2R 22m ；设加速次数为n ，则nqU ＝E km ，粒子每加速一次后，在磁场中运动半个周期，且T ＝2πmqB，则粒子在匀强磁场中运行的总时间t ＝n 2T ＝n πm qB ，联立得t ＝πBR 22U，故C 正确，A 、B 、D 错误．考点一质谱仪1.1922年，英国科学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖．质谱仪的两大重要组成部分是加速电场和偏转磁场．如图所示为质谱仪的原理图，设想有一个静止的带电粒子P (不计重力)，经电压为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，最后打到底片上的D 点．设OD ＝x ，则在下列图像中能正确反映x 2与U 之间函数关系的是( )答案 A解析粒子在加速电场中根据动能定理有qU ＝12m v 2，得v ＝2qUm.粒子在磁场中偏转，洛伦兹力提供向心力，则q v B ＝m v 2R ，得轨道半径R ＝1B 2mU q ，则x ＝2R ＝2B2mUq，知x 2∝U ，故A 正确，B 、C 、D 错误．2.(多选)如图是质谱仪的工作原理示意图，带电粒子经加速电场加速后，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磁感应强度和电场强度分别为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A 1A 2.平板S 下方有磁感应强度为B 0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 ．能通过狭缝P 的带电粒子的速率等于EBD ．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 AC解析粒子打在胶片上的位置到狭缝的距离即其做匀速圆周运动的直径D ＝2m vqB 0，可见D 越小，则粒子的比荷越大，因此利用该装置可以分析同位素，A 正确，D 错误．粒子在题图中的电场中加速，说明粒子带正电，其通过速度选择器时，静电力与洛伦兹力平衡，则洛伦兹力方向应水平向左，由左手定则知，磁场的方向应垂直纸面向外，B 错误．由 Eq ＝Bq v 可知，v ＝EB ，C 正确．3.(多选)质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示．离子源S 产生的各种不同正离子束(初速度可看作为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P 上．设离子在P 上的位置与进入磁场处之间的距离为x ，可以判断( )A ．若离子束是同位素，则x 越大，离子质量越大B ．若离子束是同位素，则x 越大，离子质量越小C ．只要x 相同，则离子的比荷一定相等D ．只要x 相同，则离子质量一定相等答案 AC解析根据动能定理，有qU ＝12m v 2，得v ＝2qUm ；由q v B ＝m v 2r ，得r ＝m v qB ＝1B2mUq，则x ＝2r ＝2B2mUq .若离子束是同位素，q 相同，x 越大对应的离子质量越大，故A 正确，B 错误；由x ＝2r ＝2B2mUq知，只要x 相同，对应的离子的比荷一定相等，但质量不一定相等，故C 正确，D 错误．考点二回旋加速器4．(多选)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相连接的两个D 形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，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面的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，粒子重力不计，下列说法正确的是( )A ．增大交流电源的电压B ．增大磁感应强度C ．减小狭缝间的距离D ．增大D 形盒的半径答案 BD解析由q v B ＝m v 2R ，解得v ＝qBR m ，则动能E k ＝12m v 2＝q 2B 2R 22m ，可知动能与加速电压和狭缝间的距离无关，与磁感应强度大小和D 形盒的半径有关，增大磁感应强度或D 形盒的半径，可以增加粒子射出时的动能，故B 、D 正确．5.(多选)回旋加速器的工作原理如图所示，真空容器D 形盒放在与盒面垂直的匀强磁场中，且磁感应强度B 保持不变．两盒间狭缝间距很小，粒子从粒子源A 处(D 形盒圆心)进入加速电场(初速度近似为零)．D 形盒半径为R ，粒子质量为m 、电荷量为＋q ，加速器接电压为U 的高频交流电源．若不考虑相对论效应、粒子所受重力和带电粒子穿过狭缝的时间．下列论述正确的是( )A ．交流电源的频率可以任意调节不受其他条件的限制B ．加速氘核(21H)和氦核(42He)两次所接高频电源的频率不相同 C ．加速氘核(21H)和氦核(42He)它们的最大速度相同D ．增大U ，粒子在D 形盒内运动的总时间t 减少答案 CD解析根据回旋加速器的原理，每转一周粒子被加速两次，交流电完成一次周期性变化，洛伦兹力提供粒子做圆周运动所需向心力，由牛顿第二定律得q v B ＝m v 2r，粒子做圆周运动的周期T ＝2πr v ＝2πm qB ，交流电源的频率f ＝1T ＝qB 2πm，可知交流电源的频率不可以任意调节，故A错误；加速氘核(21H)和氦核(42He)时，圆周运动的频率f ＝qB2πm，因氘核和氦核的比荷相同，故两次所接高频电源的频率相同，故B 错误；粒子加速后的最大轨道半径等于D 形盒的半径，洛伦兹力提供向心力，由牛顿第二定律得q v m B ＝m v m 2R ，解得粒子的最大运动速度v m ＝qBRm，故加速氘核(21H)和氦核(42He)它们的最大速度相等，故C 正确；粒子完成一次圆周运动被电场加速2次，由动能定理得2nqU ＝E km ，在D 形盒磁场内运动的时间：t ＝nT ，即t ＝πBR 22U ，可见U 越大，t 越小，故D 正确．6.(多选)如图所示，a 、b 、c 、d 为4个正粒子，电荷量相等均为q ，同时沿图示方向进入速度选择器后，a 粒子射向P 1板，b 粒子射向P 2板，c 、d 两粒子通过速度选择器后，进入另一磁感应强度为B 2的磁场，分别打在A 1和A 2两点，A 1和A 2两点相距Δx .已知速度选择器两板间电压为U ，两板间距离为l ，板间磁感应强度为B 1，则下列判断正确的是( )A ．粒子a 、b 、c 、d 的速度关系是v a ＜v c ＝v d ＜v bB ．粒子a 、b 、c 、d 的速度关系是v a ＞v c ＝v d ＞v bC ．粒子c 、d 的质量关系是m c ＞m dD ．粒子c 、d 的质量差Δm ＝B 1B 2lq Δx2U答案 AD7．如图甲所示是用来加速带电粒子的回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D 形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，两盒分别与高频电源相连．带电粒子在磁场中运动的动能E k 随时间t 的变化规律如图乙所示，忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断正确的是( )A ．在E k －t 图像中应有t 4－t 3<t 3－t 2<t 2－t 1B ．加速电压越大，粒子最后获得的动能就越大C ．粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大D ．要想粒子获得的最大动能增大，可增加D 形盒的半径答案 D解析带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与速度大小无关，因此，在E k －t 图中应有t 4－t 3＝t 3－t 2＝t 2－t 1，故A 错误；粒子获得的最大动能与加速电压无关，加速电压越小，粒子加速次数就越多，由粒子做圆周运动的半径r ＝m v qB ＝2mE k qB ，可知E k ＝q 2B 2r 22m，即粒子获得的最大动能取决于D 形盒的半径，当轨道半径r 与D 形盒半径R 相等时就不能继续加速，故B 、C 错误，D 正确．8.(多选)如图所示为某种质谱仪的工作原理示意图．此质谱仪由以下几部分构成：粒子源N ；P 、Q 间的加速电场；静电分析器；磁感应强度为B 的有界匀强磁场，方向垂直纸面向外；胶片M .若静电分析器通道中心线半径为R ，通道内的均匀辐射电场在中心线处的电场强度大小为E .由粒子源发出一质量为m 、电荷量为q 的正离子(初速度为零，重力不计)，经加速电场加速后，垂直电场强度方向进入静电分析器，在静电分析器中，离子沿中心线做匀速圆周运动，而后由S 点沿着既垂直于静电分析器的左边界，又垂直于磁场的方向射入磁场中，最终打到胶片上的某点．下列说法中正确的是( )A ．P 、Q 间加速电压为12ER B ．离子在磁场中运动的半径为mER qC ．若一质量为4m 、电荷量为q 的正离子加速后进入静电分析器，离子不能从S 点射出D ．若一群离子经过上述过程打在胶片上同一点，则这些离子具有相同的比荷答案 AD解析离子在加速电场中加速，根据动能定理，有qU ＝12m v 2，① 离子在静电分析器电场中的偏转过程，电场力提供向心力，根据牛顿第二定律，有qE ＝m v 2R， ②离子在磁场中的偏转过程，洛伦兹力提供向心力，根据牛顿第二定律，有q v B ＝m v 2r，③ 由①②解得U ＝12ER ，④ 由②③解得r ＝m qB qER m ＝1B mER q，⑤ 由④式可知，只要满足R ＝2U E ，所有离子都可以从静电分析器通过；因r ＝1BmER q ，故打到胶片上同一点的粒子的比荷一定相等，故A 、D 正确，B 、C 错误．9.(2021·绵阳市江油中学高二月考)美国物理学家劳伦斯于1932年发明的回旋加速器，利用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的特点，使粒子在较小的空间范围内经过电场的多次加速获得较大的能量．如图所示为一种改进后的回旋加速器示意图，其中盒缝间的加速电场的电场强度大小恒定，且被限制在A 、C 板间，带电粒子从P 0处由静止释放，并沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D 形盒中的匀强磁场中做匀速圆周运动．对于这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是( )A ．带电粒子每运动半周被加速一次B ．P 1P 2＝P 2P 3C ．粒子能获得的最大速度与D 形盒的尺寸有关D ．A 、C 板间的加速电场的方向需要做周期性的变化答案 C解析带电粒子只有经过A 、C 板间时才被加速，即带电粒子每运动一周被加速一次，A 、C 板间的加速电场的方向不需要做周期性的变化，故A 、D 错误；根据带电粒子的轨道半径r＝m v qB ，则P 1P 2＝2(r 2－r 1)＝2m (v 2－v 1)qB ，同理P 2P 3＝2m (v 3－v 2)qB，因为每转一圈被加速一次，设A 、C 板间的距离为d ，根据v 2－v 02＝2ad 知每转一圈，粒子速度的变化量不等，且v 3－v 2<v 2－v 1，则P 1P 2>P 2P 3，故B 错误；当粒子从D 形盒中射出时，速度最大，设D 形盒的半径为R ，则有R ＝m v max qB ，得v max ＝qBR m，则粒子获得的最大速度与D 形盒的尺寸有关，故C 正确．10．一台质谱仪的工作原理如图所示，电荷量均为＋q 、质量不同的离子飘入电压为U 0的加速电场，其初速度几乎为零．这些离子经加速后通过狭缝O 沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B 的匀强磁场，最后打在底片上，已知放置底片的区域MN ＝L ，且OM ＝L .某次测量发现MN 中左侧23区域MQ 损坏，检测不到离子，但右侧13区域QN 仍能正常检测到离子．在适当调节加速电压后，原本打在MQ 的离子即可在QN 检测到．(1)求原本打在MN 中点P 的离子的质量m ；(2)为使原本打在P 的离子能打在QN 区域，求加速电压U 的调节范围．答案见解析解析 (1)离子在加速电场中加速，则有qU 0＝12m v 2 在磁场中做匀速圆周运动，则有q v B ＝m v 2r 0联立解得r 0＝1B 2mU 0q当离子打在P 点时，r 0＝34L ，解得m ＝9qB 2L 232U 0. (2)由qU ＝12m v 2，q v B ＝m v 2r，得r ＝1B 2mU q ＝9L 2U 16U 0，故U ＝16U 0r 29L 2，离子打在Q 点时，r ＝56L ，U ＝100U 081离子打在N 点时，r ＝L ，U ＝16U 09则电压的调节范围为100U 081≤U ≤16U 09.。

高中物理精品课件：质谱仪和回旋加速器

质谱仪和回旋加速器
一质谱仪
1.应用：测量带电粒子质量和分析同位素。 2.结构：如图所示
3.原理
加速电场U1：U1q
1
mv
2
v
2qU1 m
速度选择器E,B：v E 2qU1 Bm
偏转磁场B0：不同粒子偏转半径不同
r mv m
2qU1 m m qB02r2
qB qB
2U1
m不同，r 就不同
直线加速器
+q
方案一：
加速运动
+ U—
U1
U2
方案二：
+q
匀速直线运动 U3
…
1级 2级 3级
回旋加速器
1）电场：使粒子加速 2）磁场：使粒子偏转，速率不变
+- ~ +-
3）
加速条件： T电场
T回旋
2πm qB
4）粒子最大动能：离开半径与金属盒半径相同
qvm B
mv
2 m
R
R
mvm qB
Ekm
1 2
mv
2 m
q2B2R2 2m
粒子q、m及B一定，粒子获得的最大动能与回旋加速器的半径R有关，R越大，Ek越大。
5） v接近光速时，回旋加速器受限。
粒子速度v接近光速c时
6）粒子加速次数 n Ekm Uq
T 2 m
qB
7）粒子在回旋加速器中运动的时间t
电场：t1
磁场：
t2
n -1T 2
B=
q
=1.57T
Ek=
RqB
2m
2
=2.55×10-12J
（n -1）m qB
t2>>t1，认为t ≈ t2.

高中物理精品课件：质谱仪与回旋加速器

中运动周期改变，与交变电场周期不同步。
T
改进：
2 m
qB
【例题2】回旋加速器的工作原理如图1所示，置于真空中的D形金属盒半径为
R，两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加速粒
子的质量为m、电荷量为＋q，加在狭缝间的交变电压如图2所示，电压值的大
2m
小为U0，周期T＝ qB 。一束该种粒子在t＝0时刻从A处均匀地飘入狭缝，其初
qU 0
a
md
粒子做圆周运动的总时间
t
BRd
U0
T
BR 2 π
t0 n

2
2U 0
BR 2 π
BRd
t

2U 0
U0
BR πR
（
d)
U0
2
所以粒子运动的总时间：
即：
知识拓展：
通常情况下，R》d，也就是粒子加速的时间与粒子做圆周运动的
时间相比可以忽略不计，所以在前面讨论交变电流的变化周期时不需要
2 2
R
电场加速过程的功能关系：
1
qU mv 2
2
qB R
U
2m
（2）实际上加速电压的大小会在U±△U范围内微小变化．若容器A中有电荷
量相同的铀235和铀238两种离子，如前述情况它们经电场加速后进入磁场中会
发生分离，为使这两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠，ΔU
U
应小于多少？（结果用百分数表示，保留两位有效数字）
qB
A.D形盒之间交变电场的周期为
B.质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大
C.质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大
D.只要R足够大,质子的速度可以被加速到任意值

质谱仪与回旋加速器

(5)πB2UR2m
(2)匀速圆周运动
【规律总结】求解此题应注意以下两点： (1)交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相同回旋加速器才能正常工作． (2)根据匀速圆周运动知识求出粒子最大速度的表达式，再据此判断它与何物理量有关．
变式训练3 (2011年吉林市高二检测)用回旋
加速器来加速质子，为了使质子获得的动能增加为原来的4倍，原则上可以采用下列哪几种方法( ) A．将其磁感应强度增大为原来的2倍 B．将其磁感应强度增大为原来的4倍 C．将D形盒的半径增大为原来的2倍 D．将D形盒的半径增大为原来的4倍
即时应用(即时突破，小试牛刀) 3．(2011年杭州高二检测)一个带电粒子以初速度v0垂直于电场方向向右射入匀强电场区域，穿出电场后接着又进入匀强磁场区域．设电场和磁场区域有明确的分界线，且分界线与电场强度方向平行，如图3－5－8中的虚线表示．在图所示的几种情况中，可能出现的是( )
图3－5－8
在匀强磁场中轨道半径
r＝mqBv＝qmB
2mqU＝
2mU qB2
所以粒子质量 m＝q2BU2r2.若粒子电荷量 q 也未
知，通过质谱仪可以求出该粒子的比荷(电荷
量与质量之比)mq ＝B22Ur2.
核心要点突破
一、质谱仪工作原理的理解质谱仪是利用电场和磁场控制电荷运动的精密仪
器，它是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．其结构如图3－5－2甲所示，容器A中含有电荷量相同而质量有微小差别的带电粒子．经过S1和 S2之间的电场加速，它们进入磁场将沿着不同的半径做圆周运动，打到照相底片的不同地方，在底片上形成若干谱线状的细条，叫做质谱线．每一条谱线对应于一定的质量．从谱线的位置可以知道圆周的半径，如果再已知带电粒子的电荷量，就可以算出它的质量，这种仪器叫做质谱仪．

质谱仪与回旋加速器

(3)粒子在电场中运动时间极短，因此高频交流电频率
要等于粒子回旋频率，因为 T＝2qπBm，回旋频率 f＝T1
＝ qB ，角速度 2πm
ω＝2πf＝qmB.
(4)设粒子最大回旋半径为 Rm，则由牛顿第二定律得
qvmB＝
mv2m，故 Rm
vm＝qBmRm，最大动能
Ekm＝12mv2m＝
q2B2m2R2m.
即时应用(即时突破，小试牛刀) 3．(2011年杭州高二检测)一个带电粒子以初速度v0垂直于电场方向向右射入匀强电场区域，穿出电场后接着又进入匀强磁场区域．设电场和磁场区域有明确的分界线，且分界线与电场强度方向平行，如图3－5－8中的虚线表示．在图所示的几种情况中，可能出现的是( )
图3－5－8
质谱仪与回旋加速器
1
2020/11/26
课标定位
学习目标：1.知道洛伦兹力只改变带电粒子速度方向，不改变其速度大小． 2．知道质谱仪和回旋加速器的构造和原理．重点难点：质谱仪和回旋加速器的原理和应用．
一、质谱仪和回旋加速器 1．质谱仪 (1)原理图：如图3－5－2
图3－5－2
粒子出电场时，速度 v＝
即时应用(即时突破，小试牛刀) 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3－5－7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( )
2qU m
在匀强磁场中轨道半径
r＝mqBv＝qmB
2mqU＝
2mU qB2
所以粒子质量 m＝q2BU2r2.若粒子电荷量 q 也未
知，通过质谱仪可以求出该粒子的比荷(电荷

质谱仪回旋加速器知识点总结

质谱仪回旋加速器知识点总结质谱仪和回旋加速器是两个分别用于物质分析和粒子加速的科学仪器，它们在不同的领域有着重要的应用。

接下来，我将分别总结质谱仪和回旋加速器的相关知识点。

1.质谱的基本原理质谱是一种用于分析物质中各组分的相对丰度和质量的方法。

它基于粒子的质量-电荷比（m/z）的差异，通过离子化，加速，分离和检测等过程来实现。

2.质谱的离子化方法常用的离子化方法有电子轰击、化学电离、电喷雾、激光解吸等。

其中，电子轰击是最常用的方法，通过高能电子与分子碰撞，使分子中的电子被轰击出来，产生离子。

3.质谱的加速和分离分离过程是通过质量分析器（mass analyzer）来实现的。

常见的质量分析器包括离子阱、四极杆、磁扇形质谱仪、飞行时间质谱仪等。

它们利用静电场、磁场和时间差等原理，按照离子的质量-电荷比进行分离和检测。

4.质谱的检测方法检测方法主要包括离子流计（Ion Current Detector, ICD）、质荷比分析器（mass-to-charge analyzer）等。

离子流计通过测量离子的电流或电荷量来检测离子信号，质荷比分析器则根据质量分析器中的离子在检测器中的位置来确定离子的质量-电荷比。

5.质谱的应用领域质谱仪广泛应用于各个领域，如环境科学、生物医药、食品安全、石油化工等。

它可以用于分析物质的成分、确定分子结构、定量分析、鉴别真伪和追溯等。

1.回旋加速器的基本原理回旋加速器是一种用于加速带电粒子的装置，其基本原理是利用静电场和磁场的作用，对电荷加速并使其沿着环形或螺旋轨道运动，从而提高其能量。

2.回旋加速器的工作过程回旋加速器主要分为加速和分束两个过程。

加速过程中，静电场和磁场作用使粒子在环形的轨道上不断加速；分束过程中，通过引入剖面磁场和多极磁场进行分束，使粒子束达到所需的束流特性。

3.回旋加速器的结构和组成部分回旋加速器由加速腔、磁铁、注入和提取系统、束流诊断和控制系统等组成。

加速腔提供电场加速粒子，磁铁通过产生磁场使粒子束束流；注入和提取系统负责将粒子注入和提取出束流；束流诊断和控制系统用于监测和控制粒子束的参数。

质谱仪回旋加速器

质谱仪与回旋加速器

质谱仪、回旋加速器和带电粒子在交变电磁场中运动(解析版)—三年(2022-2024)高考物理真题汇编

回旋加速器和质谱仪

1.4质谱仪与回旋加速器

第一章4质谱仪与回旋加速器

物理人教版(2019)选择性必修第二册1.4质谱仪与回旋加速器(共17张ppt)

第4节 质谱仪与回旋加速器 教学课件

1.4质谱仪与回旋加速器(原卷版)

课件1：1.4质谱仪与回旋加速器

高中物理第一章 第4节质谱仪与回旋加速器

第一章 4 质谱仪与回旋加速器

高中物理精品课件： 质谱仪和回旋加速器

高中物理精品课件： 质谱仪与回旋加速器

质谱仪与回旋加速器

质谱仪与回旋加速器

质谱仪回旋加速器知识点总结

第4节质谱仪与回旋加速器教学课件

高中物理第一章第4节质谱仪与回旋加速器

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