2013高考物理_考点30_质谱仪.doc

高考物理 2009-2012 年全国高考考题精选解析考点 30 质谱仪【考点知识方法解读】质谱仪是分析同位素的重要工具质谱仪主要由加速电场、速度选择器和偏转分离磁场三部分组成经过速度选择器后的相同速率的粒子进入偏转磁场中，不同质量的粒子运动的轨道半径不同，由此来测定带电粒子的质量和分析同位素最新三年高考物理精选解析】1.（20 分）(2012·天津理综)对铀 235 的进一步研究在核能开发和利用中具有重要意义如图所示，质量为 m、电荷量为 q 的铀 235 离子，从容器下方的小孔 S1 不断飘入加速电场，其初速度可视为零，然后经过小孔 S2 垂直于磁场方向进入磁感应强度为 B 的匀强磁场中，做半径为 R 的匀速圆周运动离子行进半个圆周后离开磁场并被收集，离开磁场时离子束的等效电流为 I不考虑离子重力及离子间的相互作用1）求加速电场的电压 U；（2）求出在离子被收集过程中任意时间 t 内收集到离子的质量 M；（3）实际上加速电压大小会在 U △U 范围内微小变化若容器 A 中有电荷量相同的铀235 和铀 238 两种离子，如前述情况它们经电场加速后进入磁场中会发生分离，为使者两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠， 应小于多少？（结果用百分数表示，保留两位有效 数 字） 。

由①②式解得：U= ③2qBRm设 m’为铀 238 离子的质量，由于电压在 U △U 之间有微小变化，铀 235 离子在磁场中最大半径为 Rmax= ⑨1B2+mq铀 238 离子在磁场中最小半径为 R’min= ⑩1B2'-mq这两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠的条件为：R maxm2） ，电荷量 均为 q加速电场的电势差为 U，离子进入电场时的初速度可以忽略，不计重力，也不考虑离子间的相互作用1）求质量为 1的离子进入磁场时的速率 v1；（2）当感应强度的大小为 B 时，求两种离子在 GA 边落点的间距 s；（3）在前面的讨论中忽略了狭缝宽度的影响，实际装置中狭缝具有一定宽度若狭缝过宽，可能使两束离子在 GA 边上的落点区域受叠，导致两种离子无法完全分离设磁感应强度大小可调，GA 边长为定值 L，狭缝宽度为 d，狭缝右边缘在 A 处；离子可以从狭缝各处射入磁场，入射方向仍垂直于 GA 边且垂直于磁场为保证上述两种离子能落在 GA 边上并被完全分离，求狭缝的最大宽度解析】：（1）加速电场对离子 m1做功， W=qU,由动能定理 m v12 =qU,得 v1= qU○ 1（1） 由牛顿第二定律和洛伦兹力公式， qvB=m ， R=mv/qB2vR的运动等知识点。

3（2010 天津理综）质谱分析技术已广泛应用于各前沿科学领域汤姆孙发现电子的质谱装置示意如图，M、N 为两块水平放置的平行 金属极板，板长为 L，板右端到屏的距离为 D，且 D 远大于 L， O’O 为垂直于屏的中心轴线，不计离子重力和离子在板间偏离 O’O 的距离以屏中心 O 为原点建立 xOy 直角坐标系，其中 x 轴沿水平方向，y 轴沿竖直方向1）设一个质量为 m0、电荷量为 q0的正离子以速度 v0沿 O’O 的方向从 O’点射入，板间不加电场和磁场时，离子打在屏上 O 点若在两极板间加一沿+y 方向场强为 E 的匀强电场，求离子射到屏上时偏离 O 点的距离 y02)假设你利用该装置探究未知离子，试依照以下实验结果计算未知离子的质量数上述装置中，保留原电场，再在板间加沿-y 方向的匀强磁场现有电荷量相同的两种正离子组成的离子流， 仍从 O’点沿 O’O 方向射入，屏上出现两条亮线在两线上取 y 坐标相同的两个光点，对应的 x 坐标分别为 3.24mm 和 3.00mm，其中 x 坐标大的光点是碳 12 离子击中屏产生的，另一光点是未知离子产生的尽管入射离子速度不完全相同，但入射速度都很大，且在板间运动时 O’O 方向的分速度总是远大于 x 方向和 y 方向的分速度。

2）设离子电荷量为 q，质量为 m，入射时速度为 v，磁场的磁感应强度为 B，磁场对离子的洛伦兹力 Fx =qvB ⑦已知 离子的入射速度都很大，因而离子在磁场中运动时间 甚短，所经过的圆弧与圆周相比甚小，且在板间运动时， O’O 方向的分速度总是远大于在 x方向和 y方向的分速度，洛伦兹力变化 甚微，故可作恒力处理，洛伦兹力产 生的加速度 qvBam⑧ax是离子在 方向的加速度，离子在 x方向的运动可视为初速度为零的匀加速直线运动，到达极板右端时，离子在 方向的分速度()xqvBLtm⑨离子飞出极板到达屏时，在 x方向上偏离 O点的距离'()xDvtv⑩当离子的初速度为任意值时，离子到达屏上时的 位置在 y方向上偏离 O点的距离为 y，考虑到⑥式，得 2qELymv○11由⑩、 两式得 2kxy 其中2qBLDkE○11 ○12上式表明， k是与离子进入板间初速度无关的定值，对两种离子均相同，由4.（2009 广东物理）图 1 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 A1A2。

平板 S 下方有强度为 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外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，粒子的荷质比越小图 1。