高中 | 质谱仪 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动

质谱仪

如图所示是质谱仪的工作原理示意图。三个带电粒子先后从容器$A$正下方的小孔$S_{1}$飘入电势差为$U$的加速电场,可视为它们初速度大小为零,经电场加速后,分别从小孔$S_{2}$离开,再从小孔$S_{3}$沿着与磁场垂直的方向竖直向下进入匀强磁场中,最后打到照相底片$D$上的$a$$b$$c$三个不同位置。整个装置放在真空中,均不计带电粒子的重力和粒子之间的相互作用力。根据图中三个带电粒子在质谱仪中的运动轨迹,下列说法正确的是$(\qquad)$

["

三个带电粒子均带负电荷

","

三个带电粒子进入磁场的速度大小相等

","

打在$a$处的带电粒子电荷量与质量之比最小

","

打在$c$处的带电粒子在磁场中运动的时间最长

"]
[["C"]]

$\rm A$.根据三个粒子在匀强磁场偏转方向,结合左手定则可知三个粒子带正电,故$\rm A$错误;

$\rm BC$.粒子经过电场加速后,由动能定理$qU=\dfrac{1}{2}mv^{2}$

$v=\sqrt{\dfrac{2qU}{m}}$

粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力得$qvB=m\dfrac{v^{2}}{r}$

以上分析知$v=\sqrt{\dfrac{2qU}{m}}$

联立解得$\dfrac{q}{m}=\dfrac{2U}{Br}$

图中可知,三种粒子做匀速圆周运动半径不同,故带电粒子电荷量与质量之比不同,所以速度不同,图中可知打在$a$处的粒子半径最大,故带电粒子电荷量与质量之比最小,故$\rm B$错误,$\rm C$正确;

$\rm D$.带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力得$qvB=m\dfrac{4\pi^{2}}{T^{2}}r$

$T=\dfrac{2\pi m}{qB}$

分析可知粒子在磁场中运动时间为$t=\dfrac{1}{2}T=\dfrac{\pi m}{qB}$

以上分析可知,由于打在$c$点的半径最小,故带电粒子质量与电荷量之比最小,故周期最小,打在$c$处的带电粒子在磁场中运动的时间最短,故$\rm D$错误。

故选: $\rm C$

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如图所示为一质谱仪的工作原理示意图,其中速度选择器内的磁场磁感应强度大小为、方向垂直纸面向里,两竖直放置极板之间存在一定的电势差,板间距离为。处为一粒子源,发射一带正电粒子以速度恰能沿直线通过速度选择器,并从孔垂直于磁场方向射入磁感应强度大小为、方向垂直纸面向外的匀强磁场中,运动半周后打在照相底片上的点,测得长度为。不计粒子重力,求: 质谱仪是由离子室、加速电场、速度选择器和分离器四部分组成的。已知速度选择器的两极板间的匀强电场的电场强度大小为,匀强磁场的磁感应强度大小为、方向垂直纸面向里,分离器中匀强磁场的磁感应强度大小为,方向垂直纸面向外。离子室内充有大量氢的同位素氕、氘、氚,它们以不同的速度经加速电场加速后,从速度选择器两极板间的中点平行于极板进入,部分粒子沿直线通过小孔后进入分离器的偏转磁场中,最后在底片上形成了对应于氕、氘、氚三种离子的三个感光点、、,测得到点的距离为。不计离子所受的重力及它们之间的相互作用。求: 下列关于四种仪器的说法正确的是 质谱仪工作原理如图所示,它由加速电场、速度选择器和偏转磁场三部分组成。速度选择器中电场强度为;偏转磁场的磁感应强度为、方向垂直纸面向外。质量为、电荷量为的粒子经过加速电场加速后,垂直进入速度选择器,且刚好沿直线运动,并从进入偏转磁场做圆周运动,打在照相底片上,测得其直径为。不计粒子的重力和粒子间的相互作用力。
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