磁场对运动电荷的作用 质谱仪和回旋加速器

1、 磁场对运动电荷的作用质谱仪和回旋加速器1质谱仪(1)质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具(2)质谱仪的原理：如果容器A中含有电荷量相同而质量有微小差别的粒子，它们经过电势差为U的电场加速后，垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场，它们进入磁场后将沿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线，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r，如果再已知带电粒子的电荷量q，就可以算出它的质量，所以这种仪器叫做质谱仪，如图所示即 2回旋加速器(1)回旋加速器是产生大量高能量的带电粒子的实验设备(2)回旋加速器的构造：两个D形金属扁盒，粒子

2、源，D形盒装在真空容器中，巨大的电磁铁，高频电源，引出装置(3)原理：带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，其周期跟运动速率和轨道半径无关，对一定的带电粒子和一定的磁感应强度来说，这个周期是恒定的因此，尽管粒子的速率和半径一次比一次增大，运动周期却始终不变，这样，如果在两个D形盒间形成一个交变电场，使它也以相周的周期往复变化，那就可以保证粒子每经过两D形盒之间时都正好赶上适合的电场方向而被加速【例题1】如图所示，相距为d的狭缝P、Q间存在着一匀强电场，电场强度为E，但方向按一定规律变化(电场方向始终与P、Q平面垂直)。狭缝两侧均有磁感强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场区，其区域足够大。某时

3、刻从P平面处由静止释放一个质量为m、带电量为q的带负电粒子(不计重力)，粒子被加速后由A点进入Q平面右侧磁场区，以半径r1作圆周运动，并由A1点自右向左射出Q平面，此时电场恰好反向，使粒子再被加速而进入P平面左侧磁场区，作圆周运动，经半个圆周后射出P平面进入PQ狭缝，电场方向又反向，粒子又被加速以后粒子每次到达PQ狭缝间，电场都恰好反向，使得粒子每次通过PQ间都被加速，设粒子自右向左穿过Q平面的位置分别是A1、A2、A3An(1)粒子第一次在Q右侧磁场区作圆周运动的半径r1多大?(2)设An与An+1间的距离小于r1 /3,求n的值。加速电场速度选择器偏转磁场UGHMN+-+d【例题2】如图为

4、质谱仪原理示意图，电荷量为q、质量为m的带正电的粒子从静止开始经过电势差为U的加速电场后进入粒子速度选择器。选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的场强为E、方向水平向右。已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器，从G点垂直MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN为边界、方向垂直纸面向外的匀强磁场。带电粒子经偏转磁场后，最终到达照相底片的H点。可测量出G、H间的距离为l。带电粒子的重力可忽略不计。求：（1）粒子从加速电场射出时速度v的大小。（2）粒子速度选择器中匀强磁场的磁感应强度B1的大小和方向。（3）偏转磁场的磁感应强度B2的大小。【例题3】一束混合的离子束，先径直穿过正交匀强

5、电、磁场， 再进入一个磁场区域后分裂成几束，如图所示，若粒子的重力不计，这分裂是因为（ ） A带电性质不同，有正离又有负离子 B质量和电量的比值不同C速度不同 D以上答案均不正确【巩固练习】1a、b是带电粒子运动轨迹上的两点，粒子从a到b的时间为1.210-6 s，从b到a的时间为0.810-6 s.则该粒子的质量与其带电荷量之比为（ ）10-5 kg/C10-7 kg/C10-6 kg/C10-6 kg/C2如图，a为带正电的小物块，b是一不带电的绝缘物块，a、b叠放于粗糙的水平地面上，地面上方有垂直纸面向里的匀强磁场，现用水平恒力F拉b物块，使a、b一起无相对滑动地向左加速运动，在加速运动

6、阶段（ ）NBFbfaGIFEBIA a、b一起运动的加速度减小 B a、b一起运动的加速度增大C a、b物块间的摩擦力减小 D a、b物块间的摩擦力增大 3电磁炮是一种理想的兵器，它的主要原理如图，利用这种装置可以把质量为2.0g的弹体(包括金属杆EF的质量)加速到6km/s,若这种装置的轨道宽2m，长为100m，通过的电流为10A,则轨道间所加匀强磁场的磁感应强度为 T,磁场力的最大功率P= W(轨道摩擦不计)4有一匀强电场和匀强磁场共存的场区，宽度d8 cm，一带电粒子沿垂直电力线和磁感线方向射入场区后，恰可做直线运动，若撤去磁场，带电粒子穿过场区后向下侧移了3.2 cm若撤去电场，带电

7、粒子穿过场区后的侧移为 _。5有一个长方体形的匀强磁场和匀强电场区域，它的截面为边长020的正方形，其电场强度为410，磁感强度2102，磁场方向垂直纸面向里，当一束质荷比为41010的正离子流以一定的速度从电磁场的正方形区域的边界中点射入如图所示，（1）要使离子流穿过电磁场区域而不发生偏转，电场强度的方向如何?离子流的速度多大?（2）在离电磁场区域右边界04处有与边界平行的平直荧光屏若撤去电场，离子流击中屏上点，若撤去磁场，离子流击中屏上点，求间距离6目前,世界上正在研究的一种新型发电机叫磁流体发电机,它可以把气体的内能直接转化为电能,如图5-6-13所示,表示出了它的发电原理:将一束等离子

8、体(即高温下申离的气体,含有大量的带正电和带负电的微粒,而从整体上呈中性),喷射入磁场,在场中有两块金属极板A、B,这时金属板上就会聚集电荷,产生电压,如果射入磁场的离子体的速度为v,金属平板的面积为S,极间距离为d,匀强磁场磁感强度为B,方向与v垂直,可调节的电阻R接在两极之间,设电离气体充满两极间的空间,其电阻率为.求（1）通过电阻R的电流的大小和方向. （2）两板间的电压.（3）两极间的电场强度为最大的条件,以及最大电场强度值. 7如图5-6-15所示为贝恩布里奇（Bainbridge）设计的用来测量同素荷质比的仪器。有一束速度相同的同位素离子速（有两种离子）以相同的速度通过狭缝S1、S

9、2，向下运动到两极板P1、P2之间，在这两极板之间有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为B，同时加一水平向右的匀强电场，电场强度为E，调节E、B，使离子沿着直线通过狭缝S3，然后进入半圆形的匀强磁场区域，此区域的磁感应强度为B，最后离子在此匀强磁场中做匀速圆周运动，经过半个圆周打到照相底片上D1、D2两点，测量出S3D1=L1，S3D2=L2。试求这两种离子的比荷。 P2P1A8回旋加速器是用来加速带电粒子的装置，它的工作原理是在匀强磁场中带电粒子做匀速圆周运动时的周期与速度无关，回旋加速器的核心部分是两个D型金属扁盒，如图，盒正中央开有一条窄缝，在两个D型盒之间加交变电压，于是在缝隙中形成交变电场，由于屏蔽作用，在D型盒内部电场很弱，D型盒装在真空容器中，整个装置放在巨大电磁铁的两极之间，磁场方向垂直于D型盒的底面，只要在缝隙中的交变电场的频率不变，便可保证粒子每次通过缝隙时总被加速，粒子的轨道不断增大，并逐渐靠近D型盒边缘，当达到预期的速率后，再用特殊的装置将它引出，在D型盒上半面中心出口A处有一正离子源，正离子的带电量为q