质谱仪 +回旋加速器【知识 精讲精研 】 高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

质谱仪回旋加速器磁流体发动机洛伦兹力的应用洛伦兹力定义与安培力的关系

电荷在磁场中所受的力．通电导线在磁场中所受的安培力是洛伦兹力的

，而洛伦兹力是安培力的微观解释．合力或宏观表现运动大小

BVߠ

VB

最大BV//FB=0洛伦兹力方向IFBBIFBB+-VVFBB，FBV，

FB

B与V决定的平面

ߠߠߠ正电荷，四指指向与运动方向相同负电荷，四指指向与运动方向相反左手定则+洛伦兹力方向IFBBIFBB+-VVFBB，FBV，

FB

B与V决定的平面

ߠߠߠ正电荷，四指指向与运动方向相同负电荷，四指指向与运动方向相反左手定则FBV

半径公式周期公式比荷相同的粒子，在同一匀强磁场中做匀速圆周运动的周期相等，与速度和半径无关。VFBVFBV质谱仪U加速器速度选择器磁场偏转器加速器

速度选择器

磁场偏转器r

测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．++--2质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．如图6所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量，让氢元素三种同位素的离子流从A下方的小孔S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的匀强磁场中，氢的三种同位素最后打在底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”，则下列判断正确的是(

)A．进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氚、氘、氕B．进入磁场时动能从大到小排列的顺序是氕、氘、氚C．在磁场中运动时间由大到小排列的顺序是氕、氘、氚D．a、b、c三条“质谱线”依次排列的顺序是氚、氘、氕跟我走大显身手例1D(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v1，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．跟我走大显身手例2味道江湖太明论理如图所示为一种质谱仪的示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成．若静电分析器通道中心线的半径为R，通道内均匀辐射电场在中心线处的电场强度大小为E，磁分析器内有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外．一质量为m、电荷量为＋q的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由P点垂直边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q点．不计粒子重力．求：(1)加速电场的电压；(2)P、Q两点间的距离s.跟我走大显身手例3味道江湖太明论理回旋加速器回旋加速器中磁场和电场分别起什么作用？回旋和加速对交流电源的周期有什么要求？在一个周期内加速几次？交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期．在一个周期内加速两次．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？

要提高带电粒子获得的最大动能，则应尽可能增大磁感应强度B和D形盒的半径R.

回旋加速器提高交流电的电压可以提高粒子的最大动能吗？不能提高交流电的电压可以减少粒子加速的次数吗？能

粒子在回旋加速器中运动的时间：

Ud

回旋加速器Ud

-1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图5所示，核心部分为两个铜质D形盒，其间留有空隙，将其置于匀强磁场中，两盒分别与高频交流电源相连，下列说法正确的是(

)跟我走大显身手例1A．粒子被加速后的最大动能随加速电场电压的增大而增大B．粒子由加速器的边缘进入加速器C．电场变化周期由粒子的质量、电荷量和磁感应强度决定D．为使被加速的粒子获得的动能增加为原来的4倍，可只将D形盒的半径增大为原来的2倍CD如图所示，两个处于同一匀强磁场中的相同的回旋加速器，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的运动的时间分别为t1和t2(在盒缝间加速时间忽略不计)，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跟我走大显身手例2C

跟我走大显身手例312质子加速

速度选择器++++++++++++++++++++++++++++++++------------------------------------------

-qE

qE

12匀速直线运动qE

qE

qE

正电荷偏向上极板负电荷偏向下极板正电荷偏向下极板负电荷偏向上极板速度选择器请判断磁场方向请判断电场方向磁流体发电机磁流体发电机，又叫等离子发电机。磁流体发电中的带电流体，它们是通过加热燃料、惰性气体、碱金属蒸气而得到的。在几千摄氏度的高温下，这些物质中的原子和电子的运动都很剧烈，有些电子甚至可以脱离原子核的束缚，发生电离，结果，这些物质变成自由电子、失去电子的离子以及原子核的混合物，这就是等离子体，等离子体整体不显电性。将等离子体以超音速的速度喷射到一个加有强磁场的管道里面，等离子体中带有正、负电荷的高速粒子，在磁场中受到洛伦兹力的作用，分别向两极板偏移，于是正负电荷累积在两极板上并在两极之间产生电压，用导线将电压接入电路中就可以使用了。

等离子束磁流体发电机的原理KMNM、N板分别带什么电？M、N板分别带负电和正电。

闭合开关，求流过电阻R的电流I=?

这就是电源电动势

在一个磁场中放置一块导体，在垂直于磁场的方向上施加一个电流时，载流的带电粒子会在磁场力作用下发生偏转，导体横向两侧的电荷会重新分布，从而产生一个内部的电场。这个现象便是霍尔效应，由此产生的导体两端的电势差通常称为霍尔电压（Hall

voltage）。这一现象于1879年由美国科学家

Edwin

Hall

发现。

当载流子受到的磁场力和电场力相互抵消时，导体两侧的电荷分布趋于平衡，内部电场趋于稳定，霍尔电压将会达到一个恒定值。霍尔效应霍尔电压

n为单位体积的自由电子数

K为霍尔系数K越大，导电性能越弱；k越小，导电性能越强。+++++++++------------N

MM霍尔效应的应用NN载流子（导电电荷）为电子，为N型半导体载流子（导电电荷）为正电荷（空穴），为P型半导体++++N电磁流量计

可以将电压表直接改为流量计,刻度均匀。流量

U如图所示为一长方体容器，容器内充满NaCl溶液，容器的左右两壁为导体板，将它们分别接在电源的正、负极上，电路中形成一定的电流，整个装置处于垂直于前后表面的匀强磁场中，则关于液体上、下两表面的电势，下列说法正确的是( )A. 上表面电势高，下表面电势低B. 上表面电势低，下表面电势高C. 上、下两表面电势一样高上、下两表面电势差的大小与

磁感应强度及电流强度的大小有关跟我走大显身手例1C跟我走大显身手例2如图，铜质导电板（单位体积的电荷数为

n）置于匀强磁场中，用电源、开关、电流表、电压表可以测出磁感应强度的大小和方向。将电路接通，串联在

AB

线中的电流表读数为

I，电流方向从

A到

B，并联在

CD

两端的电压表的读数为

UCD＞0，已知铜质导电板厚

d、横截面积为

S，电子电荷量为

e。则该处的磁感应强度的大小和方向可能是（ ）

A

跟我走大显身手例3

(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，在垂直于前、后面的方向加磁感应强度为B的匀强磁场，在上、下两个面的内侧固定有金属板M、N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，用Q表示污水流量(单位时间内流出的污水体积)．下列说法中正确的是( )A．若污水中负离子较多，则N板电势比M板电势高B．M