高中物理最基醇点考点31质谱仪新人教版选修3_1.doc

考点31 质谱仪质谱仪(选修3-1第三章：磁场的第六节带电粒子在匀强磁场中的运动)质谱仪：根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，制造出的能够分离和检测不同同位素的仪器。1、构造：如图甲所示，由粒子源、加速电场、偏转磁场和照相底片等构成。2、原理：粒子由静止被加速电场加速，根据动能定理可得关系式qUmv2。粒子在磁场中受洛伦兹力作用而偏转，做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律得关系式qvBm。由两式可得出需要研究的物理量，如粒子轨道半径、粒子质量、比荷等。粒子轨道半径r ，粒子质量m，比荷。质谱仪的主要特征将质量数不等，电荷数相等的带电粒子经同一电场加速后进入偏转磁场。各粒子由于轨道半径不同而分离，其轨道半径r 。在上式中，B、U、q对同一元素均为常量，故r，根据不同的半径，就可计算出粒子的质量或比荷。例：（多选）（2009年高考广东物理）如图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（ ）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C能通过的狭缝P的带电粒子的速率等于E/BD粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小【答案】AC1、（2015-2016学年陕西省三原县北城中学高二第四次月考）如图所示，有A、B、C、D四个离子，它们带等量的同种电荷，质量关系mA=mB<mC=mD，以不等的速度vA<vB=vC<vD进入速度选择器后，只有两种离子从速度选择器中射出，进入B2磁场，由此可以判断A离子应带负电 B进入B2磁场的离子是C、D离子C到达b位置的是C离子 D到达a位置的是C离子【答案】D【点拨】本题题干虽然没有明确说明该装置为质谱仪，但也能判断出来，明确只有速度满足一定条件时才能通过速度选择器，由洛仑兹力提供向心力能够推导出粒子偏转半径公式，判断半径与哪些因素有关。2、（2016全国新课标I卷，15）现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为（ ）A. 11B. 12C. 121D. 144【答案】D【精细解读】设质子的质量数和电荷数分别为、，一价正离子的质量数和电荷数为、，对于任意粒子，在加速电场中，由动能定理得： 得 在磁场中应满足 由题意，由于两种粒子从同一入口垂直进入磁场，从同一出口垂直离开磁场，故在磁场中做匀速圆周运动的半径应相同由式联立求解得，匀速圆周运动的半径，由于加速电压不变，故其中，可得，故一价正离子与质子的质量比约为144。3、（陕西省黄陵中学高新部2017届高三下学期期中质量检测）如图所示，一束含有、的带电粒子束从小孔O1处射入速度选择器，其中沿直线O1O2运动的粒子在小孔O2处射出后垂直进入偏转磁场，最终打在P1、P2两点，不计粒子间的相互作用。则A. 打在P1点的粒子是B. O2P2的长度是O2P1长度的2倍C. 粒子与粒子在偏转磁场中运动的时间之比为2：1D. 粒子与粒子在偏转磁场中运动的时间之比为1：1【答案】B子与粒子在偏转磁场中运动的周期之比为1:2，运动半个周期，则时间之比也为1:2，选项CD错误；故选B.每道试题20分，总计100分1、（2017届北京市丰台区高三5月综合练习（二模）理综）如图所示，两平行金属板P、Q水平放置，上极板带正电，下极板带负电；板间存在匀强电场和匀强磁场（图中未画出）。一个带电粒子在两板间沿虚线所示路径做匀速直线运动。粒子通过两平行板后从O点垂直进入另一个垂直纸面向外的匀强磁场中，粒子做匀速圆周运动，经过半个周期后打在挡板MN上的A点。不计粒子重力。则下列说法不正确的是A. 此粒子一定带正电B. P、Q间的磁场一定垂直纸面向里C. 若另一个带电粒子也能做匀速直线运动，则它一定与该粒子具有相同的荷质比D. 若另一个带电粒子也能沿相同的轨迹运动，则它一定与该粒子具有相同的荷质比【答案】C【解析】由粒子在磁场中的运动轨迹，根据左手定则可知，粒子带正电，选项A正确；粒子在两板间2、（多选）（江西省南昌三中2016-2017学年高二上学期期末）质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具如图所示为质谱仪的原理示意图现利用这种质谱仪对氢元素进行测量氢元素的各种同位素从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场加速后垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中氢的三种同位素氕、氘、氚的电量之比为1：1：1，质量之比为1：2：3，它们最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”关于三种同位素进入磁场时速度大小的排列顺序和a、b、c三条“质谱线”的排列顺序，下列判断正确的是（ ）A. 进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氚、氘、氕B. 进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氕、氘、氚C. a、b、c三条质谱线依次排列的顺序是氕、氘、氚D. a、b、c三条质谱线依次排列的顺序是氚、氘、氕【答案】BD3、（多选）一束粒子流由左端平行于极板P1射入质谱仪，沿着直线通过电磁场复合区后，并从狭缝S0进入匀强磁场B2，在磁场B2中分为如图所示的三束，则下列相关说法中正确的是()A. 速度选择器的P1极板带负电 B. 粒子1带负电C. 能通过狭缝S0的带电粒子的速率等于E/B1 D. 粒子2的比荷q/m绝对值最大【答案】BC【解析】若粒子带正电，在平行金属板中受到电场力和洛伦兹力两个力作用而做匀速直线运动，由左【点拨】本题中正交的电磁场是速度选择器，v=的结论与粒子的质量、电荷量无关4、（2016-2017学年内蒙古赤峰二中高二上第二次月考）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。离子源产生的各种不同正离子束（速度可看作为零），经加速电场（加速电场极板间的距离为、电势差为）加速，然后垂直进入磁感应强度为的有界匀强磁场中做匀速圆周运动，最后到达记录它的照相底片上。设离子在上的位置与入口处之间的距离为。（1）求该离子的荷质比。（2）若离子源产生的是带电量为、质量为和的同位素离子（），它们分别到达照相底片上的、位置（图中末画出），求、间的距离。【答案】（1）（2）【解析】（1）离子在电场中加速,由动能定理得:离子在磁场中做匀速圆周运动,由牛顿第二定律得: x=2r考点：带电粒子在磁场及电场中的运动【点拨】本题考查了带电粒子在电场中的加速和在磁场中的偏转，结合牛顿第二定律和运动学公式综合求解5、（2016海淀2模）（20分）如图为某种质谱仪的结构的截面示意图，该种质谱仪由加速电场、静电分析器、磁分析器及收集器组成。其中静电分析器由两个相互绝缘且同心的四分之一圆柱面的金属电极K1和K2构成，两柱面电极的半径分别为R1和R2，O1点是圆柱面电极的圆心。S1和S2分别为静电分析器两端为带电粒子进出所留的狭缝。静电分析器中的电场的等势面在该截面图中是一系列以O1为圆心的同心圆弧，图中虚线A是到K1、K2距离相等的等势线。磁分析器中有以O2为圆心的四分之一圆弧的区域，该区域有垂直于截面的匀强磁场，磁场左边界与静电分析器的右边界平行。P1为磁分析器上为带电粒子进入所留的狭缝，O2P1的连线与O1S1的连线垂直。 P2dO2O1S2P1S1K1K2AU磁分析器收集器离子源加速电场静电分析器离子源不断地发出正离子束，正离子束包含电荷量均为q的两种质量分别为m、m(m<m<2m)的同位素离子，其中质量为m的同位素离子个数所占的百分比为。离子束从离子源发出的初速度可忽略不计，经电压为U的加速电场加速后，全部从狭缝S1沿垂直于O1S1的方向进入静电分析器。稳定情况下，离子束进入静电分析器时的等效电流为I。进入静电分析器后，质量为m的同位素离子沿等势线A运动并从狭缝S2射出静电分析器，而后由狭缝P1沿垂直于O2P1的方向进入磁场中，偏转后从磁场下边界中点P2沿垂直于O2P2的方向射出，最后进入收集器。忽略离子的重力、离子之间的相互作用、离子对场的影响和场的边缘效应。(1)求静电分析器中等势线A上各点的电场强度E的大小；(2)通过计算说明质量为m的同位素离子能否从狭缝S2射出电场并最终从磁场下边界射出；(3)求收集器单位时间内收集的离子的质量M0。【答案】（1）E（2）能从磁场下边界射出；（3）M0= =m+(1) m。即该离子所受电场力，恰好等于它若做匀速圆周运动的向心力，因此这个离子仍然在静电分析器中做半径为R的匀速圆周运动。故质量为m的离子能从狭缝S2射出，仍从狭缝P1进入磁场做匀速圆周运动。（1分）设质量为m的离子进入磁场做匀速圆周运动的半径为r，O2P2=d，若质量为m的离子能从磁场下边界射出，则出射位置到O2距离为x须满足的条件为0<x<2d（1分）质量为m的离子在磁分析器中做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律有qvBm（1分）离子在磁分析器中做匀速圆周运动的半径r，r（1分）由题意可知，质量为m的离子圆周运动的轨道半径rd 所以质量为m的离子在磁分析器中做匀速圆周运动的半径rrd （1分）因m<m<2m，故d<r<d。（1分）则由几何关系有r2x2(rd)2（1分）解得：x2max （2-1）d2<4d2，所以质量为m的离子能从磁场下边界射出。）rmxOvr-dO2 _10