第4節(jié)　質(zhì)譜儀與回旋加速器

1．填一填(1)構(gòu)造：如圖所示，由粒子源、加速電場(chǎng)、偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和照相底片等構(gòu)成。(2)原理：粒子由靜止被加速電場(chǎng)加速，根據(jù)動(dòng)能定理可得2．判一判(1)只要帶電粒子的電荷量相同，經(jīng)加速電場(chǎng)加速后的末速度都相同。

(

)(2)只要帶電粒子的質(zhì)量不同，打在照相底片上的位置就不同。

(

)(3)利用質(zhì)譜儀可以測(cè)定帶電粒子的比荷。

(

)××√1．填一填(1)多級(jí)加速器①各加速區(qū)的兩極板用獨(dú)立電源供電。②要獲得高能量的粒子，加速器裝置要很長(zhǎng)。(2)回旋加速器①構(gòu)造：如圖所示，D1、D2是兩個(gè)中空的半圓金屬盒，D形盒的縫隙處接

電源。D形盒處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。②原理：交流電的周期和粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期

，粒子在圓周運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中一次一次地經(jīng)過(guò)D形盒縫隙，兩盒間的電勢(shì)差一次一次地反向，粒子就會(huì)被一次一次地加速。③周期：粒子每經(jīng)過(guò)一次加速，其軌道半徑就大一些，但粒子繞圓周運(yùn)動(dòng)的周期

。交流相等不變2．判一判(1)直線多級(jí)加速器的電源正、負(fù)極不用作周期性改變。

(

)(2)在回旋加速器中，粒子運(yùn)動(dòng)一周被加速兩次。

(

)(3)回旋加速器是利用磁場(chǎng)控制軌道，用電場(chǎng)進(jìn)行加速的。

(

)3．想一想回旋加速器中所加的交變電壓的周期由什么決定？提示：由于回旋加速器工作時(shí)，必須滿足交變電壓周期和粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)周期相同，即粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期決定了電壓周期。√√√[素養(yǎng)訓(xùn)練]1.(多選)質(zhì)譜儀是一種測(cè)定帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的重要工具，它的構(gòu)造原理如圖，離子源S產(chǎn)生的各種不同正離子束(速度可看作0)，經(jīng)加速電場(chǎng)加速后垂直進(jìn)入有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)，到達(dá)記錄它的照相底片P上，設(shè)離子在P上的位置到進(jìn)入磁場(chǎng)處的距離為x，可以判斷

(

)A．若離子束是同位素，則x越大，離子的質(zhì)量越大B．若離子束是同位素，則x越大，離子的質(zhì)量越小C．只要x相同，則離子的比荷一定相等D．只要x相同，則離子的質(zhì)量一定相等2.現(xiàn)代質(zhì)譜儀可用來(lái)分析比質(zhì)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(zhì)子在入口處從靜止開(kāi)始被加速電場(chǎng)加速，經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后從出口離開(kāi)磁場(chǎng)。若某種一價(jià)正離子在入口處從靜止開(kāi)始被同一加速電場(chǎng)加速，為使它經(jīng)勻強(qiáng)磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后仍從同一出口離開(kāi)磁場(chǎng)，需將磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到原來(lái)的12倍。此離子和質(zhì)子的質(zhì)量比值約為

(

)A．11

B．12C．121 D．1443.(多選)質(zhì)譜儀是測(cè)量帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素的重要工具。如圖所示為質(zhì)譜儀的原理示意圖，現(xiàn)利用這種質(zhì)譜儀對(duì)氫元素進(jìn)行測(cè)量。氫元素的各種同位素從容器A下方的小孔S無(wú)初速度飄入電勢(shì)差為U的加速電場(chǎng)，加速后垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。氫的三種同位素最后打在照相底片D上，形成a、b、c三條“質(zhì)譜線”。關(guān)于三種同位素進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)速度的排列順序以及a、b、c三條“質(zhì)譜線”的排列順序，下列判斷正確的是

(

)A．進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)速度從大到小排列的順序是氕、氘、氚B．進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)速度從大到小排列的順序是氚、氘、氕C．a(chǎn)、b、c三條質(zhì)譜線依次排列的順序是氕、氘、氚D．a(chǎn)、b、c三條質(zhì)譜線依次排列的順序是氚、氘、氕勞倫斯設(shè)計(jì)并研制出了世界上第一臺(tái)回旋加速器，為進(jìn)行人工可控核反應(yīng)提供了強(qiáng)有力的工具，大大促進(jìn)了原子核、基本粒子的實(shí)驗(yàn)研究。討論：(1)在回旋加速器中運(yùn)動(dòng)的帶電粒子的動(dòng)能來(lái)自電場(chǎng)，還是磁場(chǎng)？(2)帶電粒子從回旋加速器中出來(lái)時(shí)的最大動(dòng)能與哪些因素有關(guān)？2．交變電壓的周期為了保證帶電粒子每次經(jīng)過(guò)狹縫時(shí)都被加速，須在狹縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運(yùn)動(dòng)周期相同的交變電壓，所以交變電壓的周期由帶電粒子的比荷和磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度決定。3．帶電粒子的最終能量

一個(gè)用于加速質(zhì)子的回旋加速器，其核心部分如圖所示，D形盒半徑為R，垂直D形盒底面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，兩盒分別與交流電源相連。下列說(shuō)法正確的是

(

)A．質(zhì)子被加速后的最大速度隨B、R的增大而增大B．質(zhì)子被加速后的最大速度隨加速電壓的增大而增大C．只要R足夠大，質(zhì)子的速度可以被加速到任意值D．不需要改變?nèi)魏瘟?，這個(gè)裝置也能用于加速α粒子[素養(yǎng)訓(xùn)練]1.(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源相連接的兩個(gè)D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成的周期性變化的電場(chǎng)，使粒子在通過(guò)狹縫時(shí)都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示，要增大帶電粒子射出時(shí)的動(dòng)能，下列說(shuō)法中正確的是

(

)A．增大勻強(qiáng)電場(chǎng)間的加速電壓B．增大磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度C．減小狹縫間的距離D．增大D形金屬盒的半徑2．如圖所示為回旋加速器的工作原理示意圖，D形金屬盒置于真空中，半徑為R，兩金屬盒間的狹縫很小，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與金屬盒盒面垂直，高頻交流電的頻率為f，加速電壓為U，若中心粒子源處產(chǎn)生的初速度為0的質(zhì)子(質(zhì)量為m，電荷量為＋e)在加速器中被加速。不考慮相對(duì)論效應(yīng)，則下列說(shuō)法正確的是

(

)A．加速的粒子獲得的最大動(dòng)能隨加速電壓U的增大而增大B．不改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B和交流電的頻率f，該加速器一定可加速其他帶正電荷的粒子C．質(zhì)子加速后的最大速度不能超過(guò)2πRfD．質(zhì)子第二次和第一次經(jīng)過(guò)D形盒間狹縫后軌道半徑之比為2∶13.如圖為一種改進(jìn)后的回旋加速器示意圖，其中盒縫間的加速電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)大小恒定，且被限制在AC板間，虛線中間不需加電場(chǎng)，如圖所示，帶電粒子從P0處以速度v0沿電場(chǎng)線方向射入加速電場(chǎng)，經(jīng)加速后再進(jìn)入D形盒中的勻強(qiáng)磁場(chǎng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，對(duì)這種改進(jìn)后的回旋加速器，下列說(shuō)法正確的是

(

)A．帶電粒子每運(yùn)動(dòng)一周被加速兩次B．帶電粒子每運(yùn)動(dòng)一周P1P2＝P3P4C．加速粒子的最大速度與D形盒的尺寸有關(guān)D．加速電場(chǎng)方向需要做周期性的變化如圖所示為磁流體發(fā)電機(jī)的示意圖，將一束等離子體(即高溫下電離的氣體，含有大量帶正電荷和帶負(fù)電荷的微粒，而從整體來(lái)說(shuō)呈電中性)沿圖中所示方向噴射入磁場(chǎng)。(1)A、B兩極板中哪個(gè)極板電勢(shì)高？(2)電源的電動(dòng)勢(shì)大小與哪些因素有關(guān)？提示：(1)B極板電勢(shì)高。(2)電源的電動(dòng)勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度、兩極板間距、等離子體的速度有關(guān)。

如圖所示為一速度選擇器(濾速器)的原理圖。K為電子槍，由槍中沿KA方向射出的電子，速度大小不一。當(dāng)電子通過(guò)方向互相垂直的勻強(qiáng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)后，只有一定速率的電子能沿直線前進(jìn)，并通過(guò)小孔S。設(shè)產(chǎn)生勻強(qiáng)電場(chǎng)的平行板間的電壓為300V，間距為d＝5cm，垂直紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.06T，問(wèn)：(1)磁場(chǎng)的方向應(yīng)該垂直紙面向里還是垂直紙面向外；(2)速度為多大的電子才能通過(guò)小孔S。速度選擇器、磁流體發(fā)電機(jī)、電磁流量計(jì)、霍爾元件具有相同的特點(diǎn)，即在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電荷所受的洛倫茲力與電場(chǎng)力均等大反向。[素養(yǎng)訓(xùn)練]1.(多選)利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾元件，廣泛應(yīng)用于測(cè)量和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。如圖是霍爾元件的工作原理示意圖，磁感應(yīng)強(qiáng)度B垂直于霍爾元件的工作面向下，通入圖示方向的電流I，C、D兩側(cè)面會(huì)形成電勢(shì)差UCD，下列說(shuō)法中正確的是

(

)A．電勢(shì)差UCD僅與材料有關(guān)B．若霍爾元件的載流子是自由電子，則電勢(shì)差UCD＜0C．僅增大磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，電勢(shì)差UCD變大D．在測(cè)定地球赤道上方的地磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)，元件的工作面應(yīng)保持水平解析：電勢(shì)差UCD與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、材料有關(guān)，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；若霍爾元件的載流子是自由電子，由左手定則可知，電子向C側(cè)面偏轉(zhuǎn)，則電勢(shì)差UCD＜0，選項(xiàng)B正確；僅增大磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，電勢(shì)差UCD變大，選項(xiàng)C正確；在測(cè)定地球赤道上方的地磁場(chǎng)強(qiáng)弱時(shí)，元件的工作面應(yīng)保持豎直且東西方向放置，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。答案：BC

2．如圖所示是磁流體發(fā)電機(jī)的示意圖，兩平行金屬板P、Q之間有一個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)。一束等離子體(高溫下電離的氣體，含有大量正、負(fù)帶電粒子)沿垂直于磁場(chǎng)方向噴入磁場(chǎng)。將P、Q與電阻R相連接。下列說(shuō)法正確的是

(

)A．P板的電勢(shì)低于Q板的電勢(shì)B．通過(guò)R的電流方向由b指向aC．若只改變磁場(chǎng)強(qiáng)弱，則通過(guò)R的電流保持不變D．若只增大粒子入射速度，則通過(guò)R的電流增大一、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維1．(多選)自行車速度計(jì)利用霍爾效應(yīng)傳感器獲知自行車的運(yùn)動(dòng)速率。如圖甲所示，自行車前輪上安裝一塊磁鐵，輪子每轉(zhuǎn)一圈，這塊磁鐵就靠近傳感器一次，傳感器會(huì)輸出一個(gè)脈沖電壓。圖乙為霍爾元件的工作原理圖。當(dāng)磁鐵靠近霍爾元件時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)定向運(yùn)動(dòng)的自由電荷在洛倫茲力作用下偏轉(zhuǎn)，最終使導(dǎo)體在與磁場(chǎng)、電流方向都垂直的方向上出現(xiàn)電勢(shì)差，即為霍爾電勢(shì)差。下列說(shuō)法正確的是(

)A．根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)和自行車車輪的半徑即可獲知車速大小B．自行車的車速越大，霍爾電勢(shì)差越高C．圖乙中霍爾元件的電流I是由正電荷定向運(yùn)動(dòng)形成的D．如果長(zhǎng)時(shí)間不更換傳感器的電源，霍爾電勢(shì)差將減小二、注重學(xué)以致用和思維建模2．(多選)利用質(zhì)譜儀可分析碘的各種同位素。如圖所示，電荷量均為q的帶正電荷的131I和127I質(zhì)量分別為