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。qU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______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_____，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_____。交流相等不变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，沿半圆轨迹运动到记录它的照

相底片P上。判断下列说法的正误。(1)只要粒子的电荷量相同，经加速电场加速后的末速度都相同。

()(2)只要带电粒子的质量不同，打在照相底片上的位置就不同。

()(3)利用质谱仪可以测定带电粒子的比荷。

()××√2．质谱仪和回旋加速器的原理是什么？提示：带电粒子在电场中加速，在磁场中做匀速圆周运动。3.一个用于加速质子的回旋加速器，其核心部分如图所示，D形盒半

径为R，垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B，两盒分别

与交流电源相连。判断下列说法的正误。(1)在回旋加速器中，质子运动一周被加速两次。

()(2)回旋加速器是利用磁场控制轨道，用电场进行加速的。

()(3)加速电压增大时，质子获得的最大速度也增大。

()√√×[典例体验][典例]

(2022·杭州高二检测)质谱仪原理如图所示，a为粒子加速器，电压为U1；b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电荷量为e的带正电粒子(不计重力)，经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入偏转分离器后做匀速圆周运动。求：(1)粒子的速度v为多少？(2)速度选择器的电压U2为多少？(3)粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R为多大？[针对训练]1．(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，离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看

作0)，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上的位置到进入磁场处的距离为x，可以判断

(

)A．若离子束是同位素，则x越大，离子的质量越大B．若离子束是同位素，则x越大，离子的质量越小C．只要x相同，则离子的比荷一定相等D．只要x相同，则离子的质量一定相等答案：AC2．(选自粤教版教材课后练习)利用质谱仪测量氢元素的同位素，

如图所示，让氢元素的三种同位素氕、氘、氚的离子流从容器

A下方的小孔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，最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条质谱线。(1)在进入磁场时，氢元素的哪种同位素的动能比较大？为什么？(2)氢元素的哪种同位素在磁场中运动的时间比较长？为什么？(3)a、b、c三条质谱线分别对应氢元素的哪一种同位素？[典例体验][典例]

(2022·烟台高二检测)两个相同的回旋加速器，分别接在加速电压U1和U2的高频电源上，且U1＞U2，两个相同的带电粒子分别从这两个加速器的中心由静止开始运动，设两个粒子在加速器中运动的时间分别为t1和t2，获得的最大动能分别为Ek1和Ek2，则

(

)A．t1＜t2，Ek1＞Ek2 B．t1＝t2，Ek1＜Ek2C．t1＜t2，Ek1＝Ek2 D．t1＞t2，Ek1＝Ek2[答案]

C[针对训练]1．(多选)回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是与

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面的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，下列说法中正确的是

(

)A．增大匀强电场间的加速电压B．增大磁场的磁感应强度C．减小狭缝间的距离D．增大D形金属盒的半径答案：BD

2．如图所示为回旋加速器的工作原理示意图，D形金属盒置于真空中，半径为R，两金属盒间的狭缝很小，磁感应强度大小为B的匀强磁场与金属盒盒面垂直，高频交流电的频率为f，加速电压为U，若中心粒子源处产生的初速度为0的质子(质量为m，电荷量为＋e)在加速器中被加速。不考虑相对论效应，则下列说法正确的是

(

)A．加速的粒子获得的最大动能随加速电压U的增大而增大B．不改变磁感应强度B和交流电的频率f，该加速器一定可加速其他带正电荷的粒子C．质子加速后的最大速度不能超过2πRfD．质子第二次和第一次经过D形盒间狭缝后轨道半径之比为2∶1答案：C

[答案]

(1)磁场方向垂直纸面向里(2)1×105m/s[例2·磁流体发电机]目前，世界上正在研究一种新型发电机叫磁流体发电机。如图表示它的原理：将一束等离子体喷射入磁场，在磁场中有两块金属板A、B，这时金属板上就会聚集电荷，产生电压。下列说法不正确的是

(

)A．B板带正电

B．A板带正电C．其他条件不变，只增大射入速度，UAB增大D．其他条件不变，只增大磁感应强度，UAB增大[答案]

B[例3·电磁流量计]

(多选)为了测量某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c，左右两端开口，在垂直于上、下底面方向加磁感应强度为B的匀强磁场，在前、后两个表面内侧固定有金属板作为电极，污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U。若用Q表示污水流量(单位时间内排出的污水体积)，下列说法中正确的是

(

)A．若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高B．前表面的电势一定低于后表面的电势，与哪种离子多少无关C．污水中离子浓度越高，电压表的示数越大D．污水流量Q与U成正比，与a、b无关[答案]

BD[例4·霍尔元件]

笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件。当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态。如图所示，一块宽为a、长为c的矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子，通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为v。当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向下的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压U，以此控制屏幕的熄灭。则元件的(

)[答案]

D[系统归纳]续表一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养

科学思维——质谱仪的应用分析1．(选自鲁科版教材课后练习)(多选)日本福岛核电站的核泄漏

事故，使碘的同位素131I被更多的人了解。利用质谱仪可分析

碘的各种同位素。如图所示，电荷量均为q的带正电的131I和

127I质量分别为m1和m2，它们从容器A下方的小孔S1进入电压为U的加速电场(初速度忽略不计)，经电场加速后从小孔S2射出，垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到照相底片D上。下列说法正确的是

(

)答案：BD

科学思维——电磁流量计的应用分析2．(选自鲁科版教材课后练习)如图所示，当液体在矩形管

道中流动时，液体中的正、负离子受磁场力作用分别向

金属板M、N偏转，使两板间形成稳定的电压，测出该电

压U和管道的横截面积S，便可计算液体的流量Q(即单位时间内流过的体积)，这就是电磁流量计的工作原理。现已知垂直于侧面的磁场磁感应强度为B，M、N两板间的电压为U，管道ab和ad边的边长分别为l1和l2。求：(1)管道内液体流动的速度v；(2)管道内液体的流量Q。二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值1．(多选)自行车速度计利用霍尔效应传感器获知自行车的运动速率。如图甲所示，自行车前轮上安装一块磁铁，轮子每转一圈，这块磁铁就靠近传感器一次，传感器会输出一个脉冲电压。图乙为霍尔元件的工作原理图。当磁铁靠近霍尔元件时，导体内定向运动的自由电荷在洛伦兹力作用下偏转，最终使导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差，即为霍尔电势差。下列说法正确的是

(

)A．根据单位时间内的脉冲数和自行车车轮的半径即可获知车速大小B．自行车的车速越大，霍尔电势差越高C．图乙中霍尔元件的电流I是由正电荷定向运动形成的D．如果长时间不更换传感器的电源，霍尔电势差将减小答案：AD2．(2022·广东深圳期末)某些肿瘤可以用“质子疗法”进行治疗，在这种疗法中，质子先被加速到具有较高的能量，然后被引向并轰击肿瘤，杀死细胞，如图甲所示为该仪器示意图。图乙为某“质子疗法”仪器部分结构的简化图，Ⅰ是质子发生器，质子的质量m＝1.6×10－27kg，电荷量e＝1.6×10－19C，质子从A点进入Ⅱ；Ⅱ是加速装置，内有匀强电场，加速长度d1＝4.0cm；Ⅲ装置由平行金属板构成，板间有相互垂直的匀强电场和匀强磁场，板间距d2＝2.0cm，上下极板间电势差U2＝1000V；Ⅳ是偏转装置，以O为圆心、半径R＝0.1m的圆形区域内有垂直纸面向外的匀强磁场。质子从M进入、N射出，A、M、O三点共线，通过磁场的强弱可以控制质子射出时的方向。现需要质子从A处由静止被加速后以v＝1.0×107m/s的速度恰好沿直线通过M来杀死某肿瘤的细胞，为了达到此条件，回答以下