2026届高考物理一轮复习模型解读与针对性训练6.质谱仪模型(学生版+解析)

这是一份2026届高考物理一轮复习模型解读与针对性训练6.质谱仪模型(学生版+解析)，共9页。
【质谱仪模型解读】
1.质谱仪的作用
用于测定比荷qm，分析元素和鉴定同位素.
2.结构
主要由粒子源A、加速电场U和偏转磁场B组成.
3.工作原理
粒子源A提供的质量为m、带电荷量为q的粒子（重力不计）从静止被加速电场加速，由动能定理得qU＝12mv2；粒子进入匀强磁场，受洛伦兹力做匀速圆周运动，有qvB＝mv2r，联立解得qm＝2UB2r2.设粒子打在底片上的位置与入口的距离为L，代入L＝2r，得qm＝8UB2L2.当q相同时，m∝r2∝L2，从而使不同质量的同位素得以分离.
【高考真题】
【典例1】． （2025高考广西卷）如图，带等量正电荷q的M、N两种粒子，以几乎为0的初速度从S飘入电势差为U的加速电场，经加速后从O点沿水平方向进入速度选择器（简称选择器）。选择器中有竖直向上的匀强电场和垂直纸面向外的匀强磁场。当选择器的电场强度大小为E，磁感应强度大小为B1，右端开口宽度为2d时，M粒子沿轴线OO′穿过选择器后，沿水平方向进入磁感应强度大小为B2、方向垂直纸面向外的匀强磁场（偏转磁场），并最终打在探测器上；N粒子以与水平方向夹角为θ的速度从开口的下边缘进入偏转磁场，并与M粒子打在同一位置，忽略粒子重力和粒子间的相互作用及边界效应，则（ ）
A．M粒子质量为
B．刚进入选择器时，N粒子的速度小于M粒子的速度
C．调节选择器，使N粒子沿轴线OO′穿过选择器，此时选择器的电场强度与磁感应强度大小之比为
D．调节选择器，使N粒子沿轴线OO′进入偏转磁场，打在探测器上的位置与调节前M粒子打在探测器上的位置间距为
【针对性训练】
1. （2025届大湾区普通高中毕业年级联合模拟考试（二））如图所示为某质谱仪的简化示意图，它由加速电场、静电偏转区、真空通道和磁场偏转区组成。现有一粒子在点从静止开始经电压恒定的电场加速后进入静电偏转区，然后匀速通过真空通道后进入磁场偏转区，最终打到点，运动轨迹如图中虚线所示。粒子在静电偏转区和磁场偏转区中均做匀速圆周运动。下列说法正确的是（ ）
A. 静电偏转区内的电场是匀强电场
B. 磁场偏转区内磁场方向垂直于纸面向里
C. 仅将粒子改质子，质子仍能在静电偏转区沿虚线运动
D. 仅将粒子改为氘核（），氘核不会沿虚线运动到点
2.（2025年广西柳州二模）有一种环形质谱仪，由加速电场、偏转磁场和圆形角度尺组成，如图所示。其中偏转磁场是一个匀强磁场，方向垂直纸面向里，分布在半径为R且与角度尺构成同心圆的区域内，一离子源释放出初速度忽略不计的正离子，经加速电压U加速后，正对偏转磁场区域的圆心O射入磁场，飞出磁场后打在角度尺上60°的位置。已知离子的电荷量为q，质量为m，不计离子重力。求：
（1）离子经加速电场加速后的速度大小；
（2）偏转磁场的磁感应强度B；
（3）将加速电压调为U1，使离子在磁场中的运动时间变为原来的2倍，求U1.
3．（15分）（2025届南京六校学情调研）质谱仪是科学研究中的重要仪器，其原理如图所示。I为粒子加速器，加速电压为U；Ⅱ为速度选择器，匀强电场的电场强度大小为，方向沿纸面向下，匀强磁场的磁感应强度大小为，方向垂直纸面向里；Ⅱ为偏转分离器，匀强磁场的磁感应强度大小为，方向垂直纸面向里。从S点释放初速度为零的带电粒子（不计重力），加速后进入速度选择器做直线运动，再经O点的小孔进入分离器做圆周运动，最后打到照相底片的P点处，运动轨迹如图中虚线所示。
（1）判断粒子电性并求粒子的比荷；
（2）求O点到P点的距离；
（3）若速度选择器Ⅱ中匀强电场的电场强度大小变为（略大于），方向不变，粒子恰好垂直打在速度选择器右挡板的点，求点到O点的距离。
4．. (2024年5月河北保定九校联考) 质谱仪是科学研究和工业生产中的重要工具。质谱仪的工作原理示意图如图所示，粒子源S从小孔向下射出各种速度的氕核（）、氘核（），氚核（）及氦核（），粒子经小孔进入速度选择器后，只有速度合适的粒子才能沿直线经过小孔，并垂直进入磁感应强度大小为的偏转磁场，感光底片PQ上仅出现了A、B、C三个光斑，光斑A到小孔的距离为2d。已知速度选择器两板间存在垂直纸面向里、磁感应强度大小为的匀强磁场，两板间距为d，板间电压为U，下列说法正确的是（ ）
A. 极板M带正电荷
B. 粒子在偏转磁场中速度大小为
C. 氦核的比荷为
D. 相邻两光斑的距离均为
5. （2024安徽名校联盟期末） 如图所示，一质谱仪由加速电场、静电分析器、磁分析器构成。静电分析器通道的圆弧中心线半径为R，通道内有均匀辐向电场，中心线处的电场强度大小为E；半圆形磁分析器中分布着方向垂直于纸面、磁感应强度为B的匀强磁场。要让质量为m、电荷量为q的粒子（不计重力），由静止开始从M板经加速电场加速后，沿圆弧中心线通过静电分析器，再由P点垂直磁场边界进入磁分析器，最终打到胶片上，则（ ）
A. 加速电场的电压U需满足的关系为
B. 若，则M板电势低于N板电势，辐向电场的方向由圆心指向圆外，且磁分析器中磁场方向垂直于纸面向外
C. 电荷量相同的粒子都能打在胶片上的同一点
D. 粒子打在胶片上的位置Q到P点的距离为
6．(12分) （2024年4月南昌二模）有一种“双聚焦分析器”质谱仪，工作原理如图所示，电场分析器中有指向圆心O的辐射状电场，磁场分析器中有垂直于纸面向外的匀强磁场(图中未画出)。离子源发出的初速度均为零的氕核和氘核经加速电压U加速后，均沿圆弧MN运动(圆弧MN为电场分析器的中心线)，再垂直进入四分之一圆形磁场区域，后从磁场下边界射出。已知氕核在磁场区域运动t时间后恰好垂直于磁场下边界从Q点射出，MO＝R，，氕核的电荷量为e，忽略离子间的相互作用。求：
(1)电场分析器中心线上电场强度的大小；
(2)氘核在磁场区域的运动半径；
(3)氘核的质量。
7. （2024南京重点高中期末联考）质谱仪是分析同位素的重要工具。如图是质谱仪的工作原理示意图，速度选择器内有相互正交的匀强磁场和匀强电场，其磁感应强度和电场强度分别为和，平板上有可让粒子通过的狭缝和记录粒子位置的胶片，平板下方有磁感应强度为的匀强磁场。今有质量为、电荷量为的正粒子从粒子源逸出（可认为初速度为0）后经加速电场加速后，恰好通过速度选择器，从点进入平板下方的匀强磁场，不计粒子的重力。求：
（1）能通过狭缝的粒子的速率；
（2）加速电场的电压；
（3）粒子打在胶片上的位置距离狭缝点的水平距离。
8. （2024广东肇庆二模） 双聚焦分析器是一种能同时实现速度聚焦和方向聚焦的质谱仪，其原理如图所示，电场分析器中有指向圆心O的辐射状电场，磁场分析器中有垂直于纸面的匀强磁场（图中未画出）。不同的带正电离子组成的离子束，以不同速度进入电场分析器后能沿着半径为R的圆弧轨迹通过电场并从P点垂直进入圆形磁场区域，之后从磁场下边界射出并进入检测器，检测器可在M，N之间左右移动且与磁场下边界的距离恒等于0.5d。某一质量为m、电荷量为q的带正电离子A通过电场区域和磁场区域后，恰好垂直于磁场下边界射出，并从K点进入检测器，己知磁场区域的磁感应强度大小为B，PO1=d，忽略离子间的相互作用，求：
（1）离子A在匀强磁场中运动时的速度大小；
（2）电场分析器中圆弧轨迹处的电场强度大小；
（3）探测器能接收到的离子中比荷的最大值。

9. （2024天津蓟州区期末） 如图所示为一种质谱仪的简化原理图。位于第Ⅱ象限的静电分析器，其通道为以O为圆心的四分之一圆弧，内有方向指向坐标原点O的均匀辐向电场，半径为R＝0.6m的虚线MN为通道的中心线，中心线处的电场强度大小为。位于第Ⅰ象限的挡板OP与x轴夹角为θ＝45°，挡板OP与y轴之间存在沿y轴负方向的匀强电场，电场强度大小为。比荷是的离子从离子源飘出（初速度近似为0），经过电压为U的加速电场加速后，以速度进入静电分析器，沿中心线MN做匀速圆周运动，从N点垂直y轴射出后进入电场中，最后离子恰好垂直打在挡板OP上，不计离子重力和离子间相互作用，求：
（1）的大小；
（2）加速电场电压U的大小；
（3）电场强度的大小。
10. (2024浙江金华期末)如图为实验室筛选带电粒子的装置，此装置由以下几部分构成：粒子源N；加速电场PQ；静电分析器（即中心线半径为R的四分之一圆形通道，通道内有均匀辐射电场，方向沿径向指向圆心O，且与圆心O等距的各点电场强度大小相等）；筛选绝缘圆筒（其圆心为半径为，圆筒内存在垂直纸面向里的匀强磁场，圆筒横截面有三个等间距的小孔A、B、C）。调节装置的加速电压为U，使粒子源发出的初速度为零的带电粒子经加速电场加速后，恰能沿中心虚线通过静电分析器并从小孔S射出，经A沿半径方向进入圆形磁场区域，并直接从C点离开磁场，已知带电粒子的电量为q，质量为m，不计粒子所受重力。求：
（1）辐射电场中心虚线处场强E的大小；
（2）圆形磁场区域的磁感应强度大小；
（3）为了使粒子从C点射出后能从B点返回筒内，可在圆筒外侧加一垂直纸面向外的大小为的匀强磁场，使粒子与外壁发生一次碰撞后从B点返回，若粒子与圆筒外壁碰撞时原速率反弹，求的值；
（4）在（3）问的基础上求粒子从A点进入圆形磁场至第一次返回A点的时间。