磁场对运动电荷的作用质谱仪和回旋加速器汇总

【本讲教育信息】一. 教学内容：第十五章 磁场第四节 磁场对运动电荷的作用第五节 带电粒子在磁场中的运动、质谱仪第六节 回旋加速器 带电粒子在复合场中的运动二. 知识要点：1. 运动电荷所受磁场的作用力叫洛伦兹力，通电导线所受的安培力实际上是作用在运动电荷上的洛伦兹力的宏观表现。

洛伦兹力恒不做功，但安培力却可以做功。

可见安培力与洛伦兹力既有不可分割的必然联系，但也有其显著的区别。

2. 洛伦兹力的方向用左手定则判定。

注意四指指向正电荷运动方向（或负电荷运动的相反方向），洛伦兹力的方向既与电荷的运动方向垂直，又与磁场方向垂直，即总是垂直于磁场方向和电荷运动方向所决定的平面。

从而洛伦兹力对运动电荷不做功。

3. 洛伦兹力的大小f=Bqvsin α，α为B 与v 的夹角。

① 当B ⊥v 时，洛伦兹力最大，为f=Bqv ；② 当B ∥v 时，洛伦兹力最小，为f ＝0；③ 当B 与v 成某一角度α时，洛伦兹力为f=Bqvsin α。

此时，只有垂直于磁感应强度B 的分速度v ⊥才会产生洛伦兹力。

即 f=Bqv ⊥。

4. 本节课文只考虑带电粒子在磁场中运动的几种特殊情况：① 不考虑粒子本身的重力（一般如电子、质子、α粒子、离子等）；② 磁场为匀强磁场，并只处理两种简单情况。

初速度与磁场平行：此时洛伦兹力f ＝0，粒子将沿初速度方向匀速直线运动。

初速度与磁场垂直：由于洛伦兹力总与粒子的运动方向垂直，粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，其向心力由洛伦兹力提供。

5. 对粒子在磁场中的圆周运动问题，关键是找出圆周运动的圆心位置。

明确了圆心的位置，就可以确定圆周的半径，就能够建立相应的动力学方程，一切问题也就迎刃而解了。

确定圆心位置要注意以下两点：① 注意速度方向与半径垂直；② 注意几何知识的运用。

6. 质谱仪是测定带电粒子质量和分析同位素的重要仪器。

当同一种元素的各种同位素以相同的速度进入匀强磁场后，圆周运动半径Bqmv R =，可见R 与m 有关，这样同位素的离子就被分离出来。

磁场对运动电荷的作用一、 考点聚焦1.磁场对运动电荷的作用，洛伦兹力。

带电粒子在匀强磁场中的运动 Ⅱ2.质谱仪．回旋加速器 Ⅰ二、 知识扫描1．磁场对运动电荷的作用力叫做洛伦兹力。

当v ⊥B qvB f =；当v ∥B 时，f ＝0。

2．洛伦兹力的方向：用左手定则判定。

注意：四指代表电流方向，不是代表电荷的运动方向。

3．由于洛伦兹力f 始终与速度v 垂直，因此f 只改变速度方向而不改变速度大小。

当运动电荷垂直磁场方向进入磁场时仅受洛伦兹力作用，因此一定做匀速圆周运动。

4．带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动有一个动力学方程：R v m qvB 2=，两个基本公式（1）轨道半径公式：qB mv R =，（2）周期公式：qB m T π2=。

三、好题精析例1 在如图11.3-1所示的三维空间中，存在方向未知的匀强磁场。

一电子从坐标原点出发，沿x 轴正方向运动时方向不变；沿y轴正方向运动时，受到z 轴负方向的洛伦兹力作用。

试确定当电子从O 点沿z 轴正方向出发时的轨道平面及绕行方向。

解析 运动的电荷在匀强磁场中方向不变有两种可能：一是电荷沿磁场方向运动不受洛伦兹力；二是电荷受洛伦兹力与其它力的合力为零。

本题电子沿x 轴正方向运动时方向不变，表明沿磁场方向运动，即磁场方向与yOz 平面垂直，而电子沿y 轴正方向运动时，受到z 轴负方向的洛伦兹力作用，由左手定则可知，磁场指向纸内。

当电子从O 点沿z 轴正方向出发时，轨道平面一定在yOz 平面内，沿顺时针方向做匀速圆周运动，且圆心在y 轴正方向某一点。

如图11.3-2所示。

点评 本题考查对洛伦兹力方向的判定和分析带电粒子在磁场中运动轨迹。

物理习题中所给条件有的是直接给出的，也有隐含在题中，需要根据所学知识进行挖掘。

本题中匀强磁场的方向就是通过两步分析来确定的。

图11.3-1图11.3-2例2 电视机的显像管中，电子束的偏转是用磁偏转技术实现的。

电子束经过电压为U 的加速电场后，进入一圆形匀强磁场区，如图11.3-3所示。

质谱仪和回旋加速器知识点
质谱仪（Mass Spectrometer）是一种广泛应用于化学、生物、环境等领域的科学仪器，用
于分析物质的成分和结构。

其基本原理是通过将待分析样品中的分子或原子化为离子，然后根据离子的质量-电荷比（m/z）来进行分析和检测。

质谱仪的主要组成部分包括离子化源（Ionization Source）、质量分析器（Mass Analyzer）和检测器（Detector）。

离子化源将待分析样品中的分子或原子转化为离子，常用的离子化方法包
括电离（Ionization）、化学电离、电子轰击电离等。

质量分析器根据离子的质量-电荷比（m/z）来对其进行分析和筛选，常见的质量分析器有磁扇质谱仪（Magnetic Sector Mass Analyzer）、
四极杆质谱仪（Quadrupole Mass Analyzer）、飞行时间质谱仪（Time-of-Flight Mass Analyzer）等。

检测器用于检测离子的到达时间和强度，常见的检测器包括离子多道器（Multi-Channel Plate）、光电倍增管等。

回旋加速器（Cyclotron）是一种用于加速离子的设备，其基本原理是通过在强磁场中不断加速的方式，使离子绕着一个闭合轨道做圆周运动，并不断增加速度和能量。

回旋加速器的核心部分是一个圆形加速腔室，离子通过加速前部分的加速腔室进入回转腔室，然后在回转腔室内受到周期性变化的电场加速，最终达到所需的能量。

加速腔室中的强磁场用于控制离子在加速过程中的运动轨迹。

回旋加速器可以用于产生高能量的离子束，常见的应用包括核物理研究、粒子物理实验和医学放射治疗等领域。

高二物理质谱仪和回旋加速器试题答案及解析1.回旋加速器是用来加速带电粒子的装置，如图所示，它的核心部分是两个D形金属盒，两盒相距很近，分别和高频交流电源相连接，在两盒间的窄缝中形成交变电场，使带电粒子每次通过窄缝都得到加速。

两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，通过两盒间的窄缝时反复被加速，直到达到最大圆周半径时通过特殊装置被引出，如果用同一回旋加速器分别加速氚核（H）和粒子（He），比较它们所加的高频交流电源的周期和获得的最大动能的大小，可知A．加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能较小B．加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能也较大C．加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能也较小D．加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能较大【答案】A【解析】因为加速器所加的高频交流电源的周期与粒子做圆周运动的周期相等，而粒子在磁场中做圆周运动的周期与粒子的运动速度还没关系，故由公式T=可知，氚核的交流电源的周期=，将氚核与氦核的相关较大，故C、D均错误；再根据最大动能Ek电荷量与质量代入，发现氚核获得的最大动能较小，故A正确，B错误。

【考点】加旋加速器。

2.回旋加速器是加速带电粒子的装置．其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，则下列说法中正确的是()A．减小磁场的磁感应强度B．增大匀强电场间的加速电压C．增大D形金属盒的半径D．减小狭缝间的距离【答案】C【解析】粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，速度达最大时，粒子运动的半径与D型盒半径相等，由圆周运动规律有：,，则，可见要增大粒子射出时的动能，可增大磁场的磁感应强度或增大D形盒的半径，与加速电压无关，故C正确；【考点】考查了回旋加速器原理3.如图是质谱仪工作原理示意图．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的强度分别为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A1 A2．S下方有磁感应强度为B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外C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于，与粒子带何种电荷无关D．带电量相同的粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的质量越大【答案】ABC【解析】进入B的粒子满足，知道粒子电量后，便可求出m的质量，所以质谱仪可以用来分析同位素，故A正确；B、假设粒子带正电，则受电场力向左，由左手定则可判断磁场方向垂直直面向外，故B正确；C、由，得，此时离子受力平衡，可沿直线穿过选择器，故C正确；D、由，知R越小，荷质比越大；粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子圆周运动的半径越小荷质比越大；故D错误；【考点】质谱仪的工作原理4.如图所示，回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，D形盒半径为R．用该回旋加速器加速质子（质量数为1，核电荷数为1）时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流电周期为T．（粒子通过狭缝的时间忽略不计）则A．质子在D形盒中做匀速圆周运动的周期为2TB．质子被加速后的最大速度可能超过C．质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关D．不改变B和T，该回旋加速器也能用于加速α粒子（质量数为4，核电荷数为2）【答案】C【解析】回旋加速器粒子在磁场中运动的周期和高频交流电的周期相等．故A错误；当粒子从D形盒中出来时速度最大，故B错误；根据，得，与加速的电压无关．故C正确。

回旋加速器高中物理知识点回旋加速器是一种科学实验装置，用于加速带电粒子，以便于研究它们的性质。

在高中物理中，学生通常会学习有关回旋加速器的一些基本知识点。

下面是一些与回旋加速器相关的高中物理知识点的简要介绍与拓展：1. 磁场与电荷：回旋加速器利用磁场对带电粒子进行加速。

高中物理教学中，学生会学习有关磁场的基本性质以及磁场对运动带电粒子的影响。

他们将学习洛伦兹力定律，该定律描述了带电粒子在磁场中所受的力，以及该力如何影响粒子的轨道。

2. 加速器原理：回旋加速器通过不断改变粒子的速度和方向来加速粒子。

学生将学习加速器的基本原理，包括如何利用交变电压来改变粒子的速度和方向，从而使粒子在加速器内保持稳定的轨道。

3. 质谱仪：回旋加速器常常与质谱仪结合使用，用于分离和测量带电粒子的质量和电荷比。

学生将学习质谱仪的基本原理，包括如何利用回旋加速器加速粒子，并使用磁场将粒子按质量分离。

4. 粒子物理学：回旋加速器在粒子物理学中扮演着重要的角色。

学生将了解一些基本粒子的分类、性质和相互作用力。

他们还将学习如何利用回旋加速器进行粒子物理实验，以验证理论模型和发现新的粒子。

5. 能量守恒：在回旋加速器中，粒子通过电场和磁场的相互作用来获得能量。

学生将学习能量守恒定律，并探讨加速器中能量如何转化和保持。

扩展部分：除了以上提到的知识点，学生还可以进一步了解回旋加速器的各个部分和工作原理。

他们可以学习加速器的设计与构造，包括磁铁、电极和真空系统等。

此外，学生还可以学习加速器中需要考虑的实验参数，例如粒子的种类、能量范围和束流稳定性等。

他们还可以了解不同类型的回旋加速器，例如环形和直线加速器，以及各自的特点和应用领域。

此外，学生还可以了解回旋加速器在其他领域的应用，例如核物理、医学和材料科学。

他们可以了解如何利用回旋加速器进行核反应研究、放射性同位素制备、肿瘤治疗和材料表征等。

他们还可以了解回旋加速器的发展历史和未来的发展方向，以及与其他粒子加速器技术（如线性加速器和环形对撞机）的比较。

第27讲 质谱仪 回旋加速器【方法指导】1．质谱仪的工作原理与分析方法(1)带电粒子的加速：带电粒子进入质谱仪的加速电场，利用动能定理分析： qU ＝12mv 2①(2)带电粒子在磁场中的偏转：洛伦兹力提供向心力：qvB ＝mv 2r ②由以上两式可得r ＝1B2mU q ，m ＝qr 2B 22U ，q m ＝2UB 2r 2. 所以利用质谱仪可以测定带电粒子的质量和分析同位素． 2．回旋加速器工作原理和分析方法分析带电粒子在回旋加速器中的运动，要紧抓以下四点：（1）两个D 形金属盒的作用：一是充当交流电源的两极，二是起静电屏蔽的作用，使带电粒子在圆周运动过程中，只处在磁场中，而不受电场的干扰，以保证粒子做匀速圆周运动． （2）电场和磁场的作用：电场对带电粒子加速；磁场改变运动方向，使粒子在加速器内回旋。

（3）电场的变化周期和带电粒子在磁场中的运动周期相等，带电粒子每次进入电场时就能得到加速．（4）粒子获得的最大动能由D 形盒的半径R 、磁感应强度B 和粒子的比荷qm 决定，与加速电压的大小无关。

根据洛伦兹力提供向心力有： qv max B ＝m v 2maxR 得v max ＝qBR m.【对点题组】1．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的强度分别为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A 1A 2.平板S 下方有磁感应强度为B 0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外C ．能通过狭缝P 的带电粒子的速率等于EBD ．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P ，粒子的比荷越小2. 1922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖．若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关说法中正确的是（ ）A ．该束带电粒子带负电B ．速度选择器的p 1极板带负电C ．在B 2磁场中运动半径越大的粒子，比荷qm越小 D ．在B 2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大3．1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示．这台加速器由两个铜质D 形盒D 1、D 2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是( )A ．粒子由加速器的中心附近进入加速器B ．粒子由加速器的边缘进入加速器C ．粒子从磁场中获得能量D ．粒子从电场中获得能量4．回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电极相连接的两个D 形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D 形金属盒处于垂直于盒底面的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，下列说法中正确的是( )A．增加交流电的电压B．增大磁感应强度C．改变磁场方向D．增大加速器半径5．一个用于加速质子的回旋加速器，其核心部分如图所示，D形盒半径为R，垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B，两盒分别与交流电源相连．下列说法正确的是()A．质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大B．质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大C．只要R足够大，质子的速度可以被加速到任意值D．不需要改变任何量，这个装置也能用于加速α粒子【高考题组】6. (2013·北京)如图所示，两平行金属板间距为d，电势差为U，板间电场可视为匀强电场；金属板下方有一磁感应强度为B的匀强磁场。

回旋加速器相关知识点回旋加速器是一种用于加速带电粒子的科学仪器，它在物理学和医学等领域起着重要的作用。

本文将介绍回旋加速器的原理、应用和未来发展趋势。

一、回旋加速器的原理回旋加速器的原理基于电场和磁场的相互作用。

它通过不断增加速度和能量，将带电粒子加速到极高的速度，使其达到高能量状态。

回旋加速器通常由两个主要部分组成：一个加速腔和一个磁铁系统。

加速腔是一个空心金属环，内部有高频电场产生器。

当带电粒子经过加速腔时，电场产生器会给粒子加速。

而磁铁系统则用于产生磁场，使得带电粒子在环形轨道上保持运动。

磁场的作用是引导粒子在环形轨道上做圆周运动，并保持其运动的稳定性。

二、回旋加速器的应用1.粒子物理研究：回旋加速器为研究微观世界提供了重要工具。

通过将带电粒子加速到极高能量，科学家可以研究粒子之间的相互作用，探索物质的基本组成和宇宙的起源。

例如，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）就是目前世界上最大的回旋加速器，它的目标是研究希格斯玻色子和暗物质等未解之谜。

2.同位素生产：回旋加速器可以用来产生放射性同位素，用于医学诊断和治疗。

例如，高能质子通过靶材料碰撞产生同位素，然后将其用于放射治疗，如肿瘤治疗。

3.核聚变研究：回旋加速器也可以用于研究核聚变，即把轻核聚变成重核释放能量的过程。

科学家通过将氘和氚等轻核粒子加速到高速，然后撞击目标，从而模拟太阳核聚变的过程，以寻找实现核聚变能的方法。

4.质谱分析：回旋加速器还可以用于质谱仪的工作原理中。

质谱仪是一种用于测量样品中各种化学元素及其同位素含量的仪器。

回旋加速器可以将样品中的离子加速，然后使其通过磁场和电场的作用分离出不同的质量和电荷比，最后测量离子的质量和相对丰度。

三、回旋加速器的未来发展趋势1.巨型回旋加速器：由于粒子物理研究的需求越来越大，未来可能会建造更大的回旋加速器。

这些巨型加速器将具有更高的能量和更大的探测能力，从而可以揭示更深奥的物质结构和宇宙背后的奥秘。