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

质谱仪是一种测量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,离子源$A$产生电荷量相同而质量不同的离子束(初速度可视为零),从狭缝$S_{1}$进入电场,经电压为$U$的加速电场加速后,再通过狭缝$S_{2}$从小孔垂直$MN$射入圆形匀强磁场,该匀强磁场的磁感应强度为$B$,方向垂直于纸面向外,半径为$R$,磁场边界与直线$MN$相切,$E$为切点,离子离开磁场最终到达感光底片$MN$上,设离子电荷量为$q$,到达感光底片上的点与$E$点的距离为$x$,不计重力,可以判断$(\qquad)$

["

离子束带正电

","

$x$越大,则离子的比荷一定越大

","

到达$x=\\sqrt{3}R$处的离子质量为$\\dfrac{qB^{2}R^{2}}{6U}$

","

到达$x=\\sqrt{3}R$处的离子在匀强磁场运动时间为$\\dfrac{\\pi BR^{2}}{3U}$

"]
[["AC"]]

$\rm A$.离子进入磁场后向右偏转,对离子受力分析,由左手定则可知,离子束带正电,$\rm A$正确;

$\rm B$.带电离子在加速电场中做匀加速直线运动,设加速后的速度大小为$v$,根据动能定理有$qU=\dfrac{1}{2}mv^{2}-0$

解得$v=\sqrt{\dfrac{2qU}{m}}$

然后匀速运动到$E$点进入有界磁场中,其运动轨迹如下图所示

粒子从$E$点先沿虚线圆弧,再沿直线做匀速直线运动到$N$点,由$qvB=m\dfrac{v^{2}}{r}$

$r=\dfrac{mv}{qB}=\dfrac{1}{B}\sqrt{\dfrac{2mU}{q}}$

$x$越大则$r$越大,则比荷$\dfrac{q}{m}$越小,故$\rm B$错误;

$\rm C$.如图,到达$x=\sqrt{3}R$处的离子在$\triangle ENO$$\tan\theta=\dfrac{x}{R}$

解得

$\theta=60^\circ$

设带电粒子运动的轨迹圆的半径为$r$,根据几何关系有$r=R\tan 30{^\circ}=\dfrac{\sqrt{3}}{3}R$

解得$m=\dfrac{qB^{2}R^{2}}{6U}$$\rm C$正确;

$\rm D$.设到达$x=\sqrt{3}R$处的离子轨迹圆心角为$\alpha$$t=\dfrac{\alpha}{360{^\circ}}T=\dfrac{\alpha}{360{^\circ}} \times \dfrac{2\pi m}{qB}$

由几何关系圆弧圆心角$\alpha=120^\circ$,联立可得$t=\dfrac{\pi BR^{2}}{9U}$

$\rm D$错误。

故选:$\rm AC$

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质谱仪是科学研究中的重要仪器,其原理如图所示。Ⅰ为粒子加速器,加速电压为;Ⅱ为速度选择器,匀强电场的电场强度大小为,方向沿纸面向下,匀强磁场的磁感应强度大小为,方向垂直纸面向里;Ⅲ为偏转分离器,匀强磁场的磁感应强度大小为,方向垂直纸面向里。从点释放初速度为零的带电粒子(不计重力),加速后进入速度选择器做直线运动、再由点进入分离器做圆周运动,最后打到照相底片的点处,运动轨迹如图中虚线所示。 有两种质谱仪:第一种如图甲所示,带电粒子从靠近极板的点由静止释放,经过加速电场(板间电压为、板间距为)加速后,进入磁感应强度大小为的匀强磁场中做匀速圆周运动;第二种如图乙所示,有一定初速度的带电粒子经过速度选择器(板间电压为、板间距为、磁感应强度大小为)后,进入磁感应强度大小为的匀强磁场中做匀速圆周运动。若粒子中同时含有和,且两种质谱仪中做圆周运动的半径相同,下列说法正确的是 “双聚焦分析器”是一种能同时实现速度聚焦和方向聚焦的质谱仪,其模型图如图甲。如图乙,电场分析器中与圆心,等距离的各点场强大小相等、方向沿径向,电场强度大小为,为入射点到圆心的距离可调节。磁场分析器中以为圆心、圆心角为的扇形区域内,分布着方向垂直于纸面的匀强磁场,其左边界与电场分析器的右端面平行。若质量为、电荷量为的离子(初速度为零),经电压为的加速电场加速后,进入辐射状电场,恰好沿着半径为的圆弧轨迹通过电场区域后,垂直磁场左边界从点进入圆心为的四分之一圆形磁场区域并打在荧光屏上。图中,不计离子的重力。下列说法正确的是 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正下方的小孔飘入电势差为的加速电场,可视为它们初速度大小为零,经电场加速后,分别从小孔离开,再从小孔沿着与磁场垂直的方向竖直向下进入匀强磁场中,最后打到照相底片上的、、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 如图所示是质谱仪的结构简化图。在速度选择器上方存在有界磁场区域,该区域上边界为直线,下边界由直线、半圆、直线组成,、、、共线,与上边界平行且相距为,、之间放置足够长的照相底片,包含边界在内该区域存在方向垂直纸面向里的匀强磁场。粒子源发射出质量为、电荷量为的粒子恰能沿直线通过速度选择器,并从距离点的小空隙竖直向上射入磁场区域,并全部打在照相底片上。已知速度选择器中磁感应强度大小为,电场强度大小为,不计粒子重力,求∶ 质谱仪的工作原理如图所示,大量粒子飘入加速电场,其初速度几乎为,经过加速后,通过宽为的狭缝沿着与磁场垂直的方向进入匀强磁场中,最后打到照相底片上。在一次测试中,大量的某种粒子经加速电场加速后刚进入匀强磁场时的速度大小均为,打在底片上的位置到点的最小距离为,匀强磁场的磁感应强度为,不考虑粒子的重力及它们之间的相互作用。则
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