（江苏专用版）2020版高考物理总复习 第八章 微专题6 带电粒子与现代科技的结合课件

微专题6带电粒子与现代科技的结合考点一质谱仪考点二回旋加速器考点突破考点三复合场问题应用实例考点一质谱仪质谱仪(1)构造:如图所示,由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成。 粒子在磁场中做匀速圆周运动,有qvB=m 。由以上两式可得r=  ,m= , = 。2vr1B2mUq222qrBUqm222UBr(2)原理:粒子由静止被加速电场加速,qU= mv2。12例1(2017江苏单科)一台质谱仪的工作原理如图所示。大量的甲、乙两种离子飘入电压为U0的加速电场,其初速度几乎为0,经加速后,通过宽为L的狭缝MN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,最后打到照相底片上。已知甲、乙两种离子的电荷量均为+q,质量分别为2m和m,图中虚线为经过狭缝左、右边界M、N的甲种离子的运动轨迹。不考虑离子间的相互作用。(1)求甲种离子打在底片上的位置到N点的最小距离x;(2)在图中用斜线标出磁场中甲种离子经过的区域,并求该区域最窄处的宽度d;(3)若考虑加速电压有波动,在(U0-ΔU)到(U0+ΔU)之间变化,要使甲、乙两种离子在底片上没有重叠,求狭缝宽度L满足的条件。答案(1)  -L(2)见解析图  - (3)L  (2 - )4B0mUq2B0mUq20244mULqB2Bmq0UU02UU解析(1)甲种离子在电场中加速时,有qU0= ×2mv2设甲种离子在磁场中的运动半径为r1则有qvB=2m ,解得r1=  根据几何关系有x=2r1-L,解得x=  -L。(2)如图所示1221vr2B0mUq4B0mUq 最窄处位于过两虚线交点的垂线上d=r1- 解得d=  - 。2212Lr2B0mUq20244mULqB(3)设乙种离子在磁场中的运动半径为r2r1的最小半径r1min=  r2的最大半径r2max=  由题意知2r1min-2r2maxL即  -  L解得L  [2 - ]。2B0()mUUq1B02()mUUq4B0()mUUq2B02()mUUq2Bmq0UU02()UU考点二回旋加速器(1)构造:如图所示,D1、D2是半圆形金属盒,D形盒的缝隙处接交流电源,D形盒处于匀强磁场中。 (2)原理:交流电的周期和粒子做圆周运动的周期相等,粒子经电场加速,经磁场回旋,由qvB= ,得Ekm= ,可见粒子获得的最大动能由磁感应强度B和D形盒半径r决定,与加速电压无关。2mvr2222qBrm例2回旋加速器的工作原理如图甲所示,置于真空中的D形金属盒半径为R。两盒间狭缝的间距为d,磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直。被加速粒子的质量为m、电荷量为+q,加在狭缝间的交变电压如图乙所示,电压值的大小为U0,周期T= 。一束该种粒子在t=0~ 时间内从A处均匀地飘入狭缝,其初速度视为零。现考虑粒子在狭缝中的运动时间,假设能够出射的粒子每次经过狭缝均做加速运动,不考虑粒子间的相互作用。求:2mqB2T (1)出射粒子的动能Ek;(2)粒子从飘入狭缝至达到最大动能Ekm所需的总时间t0。答案(1) (2) - 2222qBRm2022BRBRdUmqB解析(1)粒子运动半径为R时qvB=m 且Ek= mv2,解得Ek= 。(2)粒子被加速n次达到动能Ekm,则Ekm=nqU0粒子在狭缝间做匀加速运动,设n次经过狭缝的总时间为Δt,加速度a= 匀加速直线运动nd= a·Δt22vR122222qBRm0qUmd12由t0=(n-1)· +Δt,解得t0= - 。2T2022BRBRdUmqB考点三复合场问题应用实例装置原理图规律速度选择器 若qv0B=Eq,即v0= ,粒子做匀速直线运动磁流体发电机 等离子体射入,受洛伦兹力偏转,使两极板带正、负电,两极电压为U时稳定,q =qv0B,U=v0Bd电磁流量计  q=qvB,所以v= 所以Q=vS= 霍尔元件 当磁场方向与电流方向垂直时,导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差EBUdUDUDBDU4Bπ例3(多选)(2018扬州期末)如图所示,导电物质为电子的霍尔元件样品置于磁场中,表面与磁场方向垂直,图中的1、2、3、4是霍尔元件上的四个接线端。当开关S1、S2闭合后,三个电表都有明显示数,下列说法正确的是 (ABC) A.通过霍尔元件的磁场方向向下B.接线端2的电势低于接线端4的电势C.仅将电源E1、E2反向接入电路,电压表的示数不变D.若适当减小R1、增大R2,则电压表示数一定增大解析根据安培定则可知,磁场的方向向下,故A项正确;通过霍尔元件的电流由1流向接线端3,电子移动方向与电流的方向相反,由左手定则可知,电子偏向接线端2,所以接线端2的电势低于接线端4的电势,故B项正确;当调整电路,使通过电磁铁和霍尔元件的电流方向相反,由左手定则可知洛伦兹力方向不变,即2、4两接线端的电势高低关系不发生改变,电压表的示数不变,故C项正确;减小R1,电磁铁中的电流减小,产生的磁感应强度减小,增大R2,霍尔元件中的电流减小,电子定向移动的速率减小,所以霍尔电压U=dvB减小,即电压表示数一定减小,故D项错误。例4(2018南通三模)磁流体发电机原理如图所示,等离子体高速喷射到加有强磁场的管道内,正、负离子在洛伦兹力作用下分别向A、B两金属板偏转,形成直流电源对外供电。则 (D)A.仅减小两板间的距离,发电机的电动势将增大B.仅增强磁感应强度,发电机的电动势将减小C.仅增加负载的阻值,发电机的输出功率将增大D.仅增大磁流体的喷射速度,发电机的总功率将增大解析设发电机的电动势为U,即两板间电压为U,有q =qvB,得U=vBd,则仅减小两板间的距离,发电机的电动势将减小,A错误;仅增强磁感应强度,发电机的电动势将增大,B错误;仅增加负载的阻值,根据欧姆定律,电路中电流减小,电功率减小,C错误;仅增大磁流体的喷射速度,则电动势增大,发电机的总功率将增大,D正确。Ud磁发散与磁聚焦——比较思维能力的培养当粒子做圆周运动的半径与圆形磁场的半径相等时,会出现磁发散或磁聚焦现象。即当粒子由圆形磁场的边界上某点以不同速度射入磁场时,会平行射出磁场,如图甲所示;当粒子平行射入磁场中,会在圆形磁场中会聚于圆上一点,如图乙所示。加油小站例5(多选)如图所示,纸面内有宽为L水平向右飞行的带电粒子流,粒子质量为m,电荷量为-q,速率为v0,不考虑粒子的重力及相互间的作用,要使粒子都会聚到一点,可以在粒子流的右侧虚线框内设计一匀强磁场区域,则磁场区域的形状及对应的磁感应强度可以是 其中B0= ,A、C、D选项中曲线均为半径是L的 圆弧,B选项中曲线为半径是 的圆  ()0mvqL142L  答案AB由于带电粒子流的速度均相同,则当飞入A、C选项中的磁场时,它们的轨迹对应的半径均相同。B、D选项因为磁场是2B0,粒子在其中运动半径是在A、C中运动半径的一半。然而当粒子射入C、D图中的磁场时,均不可能会聚于同一点。所以只有A、B选项能会聚于一点。随堂巩固1.(多选)如图所示是粒子速度选择器的原理图,如果粒子所具有的速率v= ,那么 ()EBA.带正电粒子必须沿ab方向从左侧进入场区,才能沿直线通过B.带负电粒子必须沿ba方向从右侧进入场区,才能沿直线通过C.不论粒子电性如何,沿ab方向从左侧进入场区,都能沿直线通过D.不论粒子电性如何,沿ba方向从右侧进入场区,都能沿直线通过答案AC按四个选项要求让粒子进入,可知只有A、C选项中粒子所受洛伦兹力与电场力等大反向,能沿直线匀速通过磁场。2.如图所示是磁流体发电机原理示意图。A、B极板间的磁场方向垂直于纸面向里,等离子束从左向右进入板间。下述说法正确的是 (C)A.A板电势高于B板,负载R中电流向上B.B板电势高于A板,负载R中电流向上C.A板电势高于B板,负载R中电流向下D.B板电势高于A板,负载R中电流向下解析等离子束指的是含有大量正、负离子,整体呈电中性的离子流,进入磁场后,正离子受到向上的洛伦兹力向A板偏,负离子受到向下的洛伦兹力向B板偏。正离子聚集在A板,而负离子聚集在B板,A板电势高于B板,电流方向从A→R→B,即R中电流向下,C项正确。3.(多选)如图所示为用回旋加速器加速带电粒子的示意图。磁场方向垂直D形盒向下,粒子的运动方向已经在图中标出,则下列说法正确的是 (AD)A.从回旋加速器出口射出的粒子带正电B.D形盒狭缝间所加电压不一定是交流电压C.磁场对带电粒子做正功,使其动能增大D.粒子做圆周运动的周期与交流电压的周期相等解析结合题图,根据左手定则,由粒子的偏转方向和磁场方向知,粒子带正电,A项正确;带电粒子在磁场中做圆周运动,在狭缝间做匀加速运动,粒子在电场内运动时间极短,要使粒子每次经过狭缝间都能加速,须采用周期等于粒子做圆周运动周期的交流电压,B项错误,D项正确;洛伦兹力不做功,所以磁场不能使粒子的动能增大,C项错误。4.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,离子源S产生的各种不同正离子束(速度可视为零),经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场,到达记录它的照相底片P上,设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x,可以判断 (B)A.若离子束是同位素,则x越小,离子质量越大B.若离子束是同位素,则x越小,离子质量越小C.只要x相同,则离子质量一定相同D.x越大,则离子的比荷一定越大解析由qU= mv2,qvB= ,解得r=  ,又x=2r=  ,分析各选项可知只有B项正确。122mvr1B2mUq2B2mUq