磁场对运动电荷作用质谱仪和回旋加速器.docVIP

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、A3……An…… (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 加速电场 速度选择器 偏转磁场 U G H M N + - + d 【例题3】一束混合的离子束，先径直穿过正交匀强电、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】 1．一带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动.已知匀强磁场的磁感应强度大小为0.8 T，a、b是带电粒子运动轨迹上的两点，粒子从a到b的时间为1.2π×10-6 s，从b到a的时间为0.8π×10-6 s.则该粒子的质量与其带电荷量之比为（ ） A.1.25×10-5 kg/C B.8.0×10-7 kg C.4.8×10-6 kg/C D.4.0×10-6 kg 2．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，在加速运动阶段（ ） NBFbfa N B F b f a G I F E B I 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d＝8 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