人教版高中物理选择性必修第二册第一章安培力与洛伦兹力4质谱仪与回旋加速器课件

第一章安培力与洛伦兹力4.质谱仪与回旋加速器核心素养：1.

了解质谱仪和回旋加速器的构造、原理及用途.（物理观念）2.

会利用圆周运动知识和功能关系分析质谱仪和回旋加速器的工作过程.（科学

思维）3.

会利用相关规律解决质谱仪、回旋加速器问题.（科学态度与责任）第3页研习任务一质谱仪合作讨论如图所示为质谱仪原理示意图.设粒子质量为m、电荷量为q，加速电场电压为U，偏

转磁场的磁感应强度为B，粒子从容器A下方的小孔S1飘入加速电场，其初速度几乎为

0.则粒子进入磁场时的速度是多大？打在底片上的位置到S3的距离多大？

教材认知1.

构造：主要构件有

、

和照相底片.

加速电场偏转磁场要点归纳

2.

应用：测量带电粒子的质量和分析同位素.研习经典[典例1]如图所示，两平行金属板间距为d，电势差为U，板间电场可视为匀强电

场；金属板下方有一磁感应强度为B的匀强磁场，带电量为＋q、质量为m的粒子，由

静止开始从正极板出发，经电场加速后射出，并进入磁场做匀速圆周运动，忽略重力

的影响，求：（1）匀强电场场强E的大小；

（2）粒子从电场射出时速度v的大小；

（3）粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径R.

名师点评

质谱仪其实是带电粒子在组合场中运动的一个应用，只要熟知带电粒子在电场和

磁场中的运动规律就可以轻松解答这类问题.对应训练1.

（多选）如图所示为一种质谱仪示意图，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

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.

下列说法正确的是（

ABD

）ABDA.

粒子一定带正电D.

若一束离子从静止开始经过上述过程都落在胶片上同一点，则该束离子具有相同的比荷

第14页研习任务二回旋加速器合作讨论劳伦斯设计并研制出了世界上第一台回旋加速器，为进行人工可控核反应提供了强有

力的工具，大大促进了原子核、基本粒子的实验研究.请思考：（1）在回旋加速器中运动的带电粒子的动能来自于电场，还是磁场？提示：（1）带电粒子的动能来自于电场.（2）对交流电源的周期有什么要求？提示：（2）交流电源的周期应等于带电粒子在磁场中运动的周期.（3）带电粒子从回旋加速器中出来时的最大动能与哪些因素有关？

教材认知1.

构造：两个D形盒.两D形盒接交流电源，D形盒处于垂直于D形盒的匀强

⁠

中，如图所示.磁场2.

工作原理（1）D1和D2之间有一定的电势差U，A处的粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电

场

⁠.（2）两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，粒子在磁场中做

运动.（3）经过半个圆周，粒子再次到达两盒间的缝隙，两盒间的电势差改变

⁠，

粒子再一次被加速.如此循环往复，粒子的速度就能够增加到很大.加速匀速圆周正负要点归纳1.

电场的特点及作用（1）特点：周期性变化，其周期等于粒子在磁场中做圆周运动的周期.（2）作用：对带电粒子加速，粒子的动能增大，qU＝ΔEk.2.

磁场的作用

3.

最大动能

4.

周期

研习经典[典例2]用电源频率为f的回旋加速器对电荷量为q、质量为m的氦核加速，使氦核的

能量达到Ek.则这个回旋加速器的半径r为多大？

名师点评

交变电源的周期（频率）与粒子运动的周期（频率）相同，以及洛伦兹力提供粒

子做圆周运动的向心力，是解决回旋加速器问题的关键.对应训练2.

（多选）如图所示，回旋加速器D形盒的半径为R，所加磁场的磁感应强度为B，

用来加速质量为m、电荷量为q的质子，质子从下半盒的质子源由静止出发，加速到

最大能量Ek后，由A孔射出.下列说法正确的是（

BC

）A.

质子能量来源于磁场B.

减小交变电压U，则质子在加速器中运行时间将变长BC

知识构建第26页课后提素养深刻剖析提升能力基础题组1.

判断正误.（1）质谱仪工作时，在电场和磁场确定的情况下，同一带电粒子在磁场中运动轨迹

的半径相同.

（

√

）（2）因不同原子的质量不同，所以同位素在质谱仪中的轨迹半径不同.

（

√

）（3）利用回旋加速器加速带电粒子，要提高加速粒子的最终速度，应尽可能增大磁

感应强度B和D形盒的半径R.

（

√

）（4）增大两D形盒间的电压，可以增大带电粒子所获得的最大动能.

（

×

）√√√×2.

（多选）1932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台

加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是

（

AD

）A.

粒子由加速器的中心附近进入加速器B.

粒子由加速器的边缘进入加速器C.

粒子从磁场中获得能量D.

粒子从电场中获得能量AD解析：粒子从加速器的中间位置进入加速器，最后由加速器边缘飞出，所以A对，B

错.加速器中所加的磁场使粒子做匀速圆周运动，所加的电场由交流电提供，用来加

速粒子，交流电的周期与粒子做圆周运动的周期相同，故C错，D对.3.

英国物理学家阿斯顿首次制成了质谱仪，并用它确定了同位素的普遍存在.若两种

带电粒子a、b（不计重力）由S1射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列说法中正

确的是（

D

）A.

两种粒子都带负电B.

金属板P1、P2间电场方向水平向左C.

b粒子的速度大于a粒子的速度D.

a粒子的比荷大于b粒子的比荷D

中档题组1.

关于回旋加速器，下列说法正确的是（

C

）A.

回旋加速器是利用磁场对运动电荷的作用使带电粒子的速度增大的B.

回旋加速器使粒子获得的最大动能与加速电压成正比C.

回旋加速器是通过多次电场加速使带电粒子获得高能量的D.

带电粒子在回旋加速器中不断被加速，因而它做圆周运动一周所用的时间越来越短

C2.

（多选）如图为一种改进后的回旋加速器示意图，其中盒缝间的加速电场场强大

小恒定，且被限制在A、C板间，虚线中间不需加电场，如图所示，带电粒子从P0处

以很小的速度v0沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D形盒中的匀强磁场做

匀速圆周运动，对这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是（

BD

）A.

带电粒子的最大速度与D形盒的尺寸无关B.

带电粒子每运动一周被加速一次C.

带电粒子每运动一周P1P2等于P2P3D.

加速电场方向不需要做周期性的变化BD

3.

如图所示，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；

解析：（1）设甲种离子所带电荷量为q1、质量为m1，在磁场中做匀速圆周运动的半

径为R1，磁场的磁感应强度大小为B，由动能定理有

由几何关系知2R1＝l

③

（2）甲、乙两种离子的比荷之比.答案：（2）1∶4解析：（2）设乙种离子所带电荷量为q2、质量为m2，射入磁场的速度为v2，在磁场

中做匀速圆周运动的半径为R2.同理有

第37页课时作业（四）[基础训练]1.

关于下列四幅图的说法正确的是（

C

）B.

图乙是磁流体发电机结构示意图，由图可以判断出A极板是发电机的正极C.

图丙是质谱仪结构示意图，打在底片上的位置越靠近狭缝S3说明粒子的比荷越大D.

图丁是回旋加速器示意图，要使粒子飞出加速器时的动能增大，可仅增加电压UC123456789101112

1234567891011122.

（多选）如图所示，a、b、c、d四种离子，它们带等量同种电荷，质量为ma＝mb

＜mc＝md，以不等的速率va＜vb＝vc＜vd进入速度选择器后，有两种离子从选择器中射

出，进入磁感应强度为B2的磁场.由此可以判断（不计离子重力）（

BD

）A.

四种离子带正电，射向D1的是a离子B.

四种离子带负电，射向D1的是c离子C.

四种离子带正电，射向D2的是d离子D.

四种离子带负电，射向D2的是b离子BD123456789101112

1234567891011123.

（多选）回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源

相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中存在周期性变化的电场，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，下列说法正确的是（

BD

）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BD

1234567891011124.

（多选）如图所示是质谱仪的工作原理示意图.带电粒子被加速电场加速后，进入

速度选择器.速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场分别为B和E.

平板S上有可

让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2.平板S下方有磁感应强度为B0的匀强

磁场.下列表述正确的是（

AC

）A.

质谱仪是分析同位素的重要工具B.

速度选择器中的磁场方向垂直纸面向内D.

粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小AC123456789101112

1234567891011125.

（多选）1932年劳伦斯制成世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示.这台加速

器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是（

AB

）A.

粒子从电场中获得能量B.

粒子获得最大速度与回旋加速器半径有关C.

粒子获得最大速度与回旋加速器内的电场有关D.

回旋加速器中的电场和磁场交替对带电粒子做功AB

1234567891011126.

（2024·重庆江北高二校考期末）图示装置叫质谱仪，最初是由阿斯顿设计的，是

一种测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具.其工作原理如下：一个质量为

m、电荷量为q的离子，从容器A下方的小孔S1飘入电势差为U的加速电场，其初速度

几乎为0，然后经过S3沿着与磁场垂直的方向，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.不计离子重力.则（

C

）CD.

若a、b是两种同位素的原子核，从底片上获知a、b在磁场

中运动轨迹的直径之比是1.08∶1，则a、b的质量之比为1.08∶1123456789101112

1234567891011127.

（多选）某一具有速度选择器的质谱仪原理如图所示.速度选择器中，磁场（方向

垂直纸面）与电场正交，磁感应强度为B1，两板间电压为U，两板间距离为d；偏转

分离器中，磁感应强度为B2，磁场方向垂直纸面向外.现有一质量为m、电荷量为q的

粒子（不计重力），该粒子以某一速度恰能匀速通过速度选择器，粒子进入分离器后

做匀速圆周运动，最终打在感光板A1A2上.下列说法正确的是（

BCD

）A.

粒子带负电B.

速度选择器中匀强磁场的方向垂直纸面向外BCD123456789101112

123456789101112

A.

如果只增大交变电压U，质子在加速器中运行时间将变短B.

如果只增大交变电压U，质子的最大动能会变大C.

质子的最大动能跟磁感应强度B成正比A123456789101112

123456789101112[能力提升]

B123456789101112

12345678910111210.

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，它的构造原理如图所

示，粒子源S发出两种带正电的同位素粒子甲和乙，两种粒子从S出来时速度很小，可

忽略不计.粒子经过加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场（图中线框所示），最终

打到照相底片上，测得甲、乙两种粒子打在照相底片上的点到入射点的距离之比为

5∶4，则它们在磁场中运动的时间之比是（

C

）A.5∶4B.4∶5C.25∶16D.16∶25C123456789101112

12345678910111211.

如图所示，速度选择器两板间电压为U、相距为d，板间有垂直纸面向里、磁感应

强度为B0的匀