高中物理人教专题59 电磁组合场和叠加场中的各类仪器（解析版）.docx

2023届高中物理一轮复****多维度导学与分层专练
专题59 电磁组合场和叠加场中的各类仪器
导练目标
导练内容
目标1
质谱仪
目标2
回旋加速器
目标3
速度选择器
目标4
磁流体发电机
目标5
电磁流量计
目标6
霍尔元件
【知识导学与典例导练】
电磁组合场中的各类仪器
质谱仪
（1）作用
测量带电粒子质量和分离同位素的仪器。
（2）原理(如图所示)
①加速电场：qU＝mv2。
②偏转磁场：qvB＝，l＝2r，由以上两式可得r＝ ，m＝，＝。
【例1】利用质谱仪检测电量相等（4价）的气态C14和C12离子的浓度比，结合C14衰变为N14的半衰期，可以判断古代生物的年龄。如图所示，离子从容器A下方的狭缝S1飘入电场，经电场加速后通过狭缝S2、S3垂直于磁场边界MN射入匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里，离子经磁场偏转后发生分离，检测分离后离子的电流强度可得离子的浓度比。测得，则C14和C12的浓度比为（　　）
A． B． C． D．
【答案】C
【详解】带电粒子在电场中加速得解得带电粒子在磁场中洛伦兹力提供向心力得
故粒子的电量相同，质量越大，轨迹半径越大，到达Q点的是C14，根据电流的微观表达式得故，C正确，ABD错误。故选C。
回旋加速器
（1）构造
如图所示，D1、D2是半圆形金属盒，D形盒处于匀强磁场中，D形盒的缝隙处接交流电源。
（2）原理
交流电周期和粒子做圆周运动的周期相等，使粒子每经过一次D形盒缝隙，粒子被加速一次。
（3）最大动能
由qvmB＝、Ekm＝mvm2得Ekm＝，粒子获得的最大动能由磁感应强度B和盒半径R决定，与加速电压无关。
（4）总时间
粒子在磁场中运动一个周期，被电场加速两次，每次增加动能qU，加速次数n＝，粒子在磁场中运动的总时间t＝T＝·＝。
【例2】如图所示为回旋加速器的示意图，用回旋加速器加速某带电粒子时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流电周期为T。设D形盒半径为R，不计粒子在两极板间运动的时间，则下列说法正确的是（　　）
A．为了保证粒子在电场中不断被加速，粒子做圆周运动的周期应该为2T
B．被加速的粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而增大
C．增大加速电场的电压，其余条件不变，带电粒子在D形盒中运动的时间变短
D．若只增大交流电源的电压U，则粒子的最大动能将增大
【答案】C
【详解】A．为了保证粒子在电场中不断被加速，交流电源的周期应该等于粒子做圆周运动的周期，A错误；
B．根据周期公式可知，被加速的粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期与半径无关，B错误；
C．增大加速电场的电压，其余条件不变，每次加速后粒子获得的动能增加，但最终的动能不变，故在电场中加速的次数减少，带电粒子在D形盒中运动的时间变短，C正确；
D．当粒子被加速到最大速度时，由洛伦兹力提供向心力得最大动能联立可得则若只增大交流电源的电压U，则粒子的最大动能不变，D错误。故选C。
电磁叠加场中的各类仪器
装置
原理图
规律
共性规律
速度选
择器　
若qv0B＝Eq，即v0＝，粒子做匀速直线运动
稳定平衡时电荷所受电场力和洛伦兹力平衡，即q＝qvB
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、负电荷，两极板间电压为U时稳定，q＝qv0B，U＝v0Bd
电磁流
量计　
当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，a、b间的电势差(U)达到最大，由q＝qvB，可得v＝
霍尔
元件
当自由电荷所受电场力和洛伦兹力平衡时，b、a间的电势差(U)就保持稳定，由qvB＝q，可得U＝vBd
【例3】速度选择器装置如图所示，为中轴线。一粒子（）以速度自O点沿中轴线
射入恰沿中轴线做匀速直线运动。所有粒子均不考虑重力的影响，下列说法正确的是（　　）
A．粒子（）以速度自点沿中轴线从右边射入也能做匀速直线运动
B．电子（）以速度自O点沿中轴线射入，恰沿中轴线做匀速直线运动
C．氘核（）以速度自O点沿中轴线射入，动能将增大
D．氚核（）以速度自O点沿中轴线射入，动能将增大
【答案】BC
【详解】粒子（）以速度自O点射入，恰沿中轴线做匀速直线运动，将受到向上的洛伦兹力和向下的电场力，满足解得即粒子的速度满足速度选择器的条件；
A．粒子（）以速度自点沿中轴线从右边射入时，受到电场力向下，洛伦兹力也向下，会向下偏转不会做匀速直线运动，A错误；
B．电子（）以速度自O点沿中轴线射入，受到电场力向上，洛伦兹力向下，依然满足电场力等于洛伦兹力，做匀速直线运动，即速度选择器不选择电性而只选择速度，B正