高考物理命题潜规则解密专项35质谱仪.docx

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高考物理命题潜规则解密专项35质谱仪

2019高考物理命题潜规则解密：

专项35质谱仪

规那么验证：

2018年天津理综第12题、2017北京理综卷第23题、2017广东物理第12题

命题规律：

质谱仪是教材上介绍的带电粒子在电磁场中运动的实例，高考可定性定量考查，可采用选择题或计算题考查。

考查实际质谱仪的一般采用计算题，是高考考查的重点和热点，常常以压轴题出现，难度大、分值高、区分度大。

命题分析

考查方式一定性考查质谱仪

【命题分析】定性考查质谱仪的试题主要从基本应用和基本原理考查，难度一般不大。

典例1〔2017广东物理第12题〕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。

以下表述正确的选项是

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/B

D、粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小

考查方式二定量考查质谱仪

【命题分析】质谱仪是教材上介绍的带电粒子在电磁场中运动的实例，高考一般设计与教材不同的模型，采用定量考查，难度一般较大。

典例2（2018年天津理综第12题）对铀235的进一步研究在核能开发和利用中具有重要意义。

如下图，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。

假设容器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〕。

考查方式三变异考查质谱仪

【命题分析】通过改变情境考查质谱仪及其相关知识。

典例3〔2017北京理综卷第23题〕利用电场和磁场，可以将比荷不同的离子分开，这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用。

如下图的矩形区域ACDG〔AC边足够长〕中存在垂直于纸面的匀强磁场，A处有一狭缝。

离子源产生的离子，经静电场加速后穿过狭缝沿垂直于GA边且垂于磁场的方向射入磁场，运动到GA边，被相应的收集器收集，整个装置内部为真空。

被加速度的两种正离子的质量分别是m1和m2〔m1>m2〕，电荷量均为

。

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m1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。

假设狭缝过宽，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。

典例4〔2017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。

假设在两极板间加一沿+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y0。

（2）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。

【2018年模拟题精选训练题】

1、下图是质谱仪工作原理的示意图。

带电粒子a、b经电压U加速〔在A点初速度为零〕后，进入磁感应强度为B的匀强磁场做匀速圆周运动，最后分别打在感光板S上的x1、x2处。

图中半圆形的虚线分别表示带电粒子a、b所通过的路径，那么  

A、a的质量一定大于b的质量

B、a的电荷量一定大于b的电荷量

C、a运动的时间大于b运动的时间

D、a的比荷〔qa/ma〕大于b的比荷〔qb/mb〕

2.〔2018洛阳一练〕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。

.假设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8所示，那么以下相关说法中正确的选项是

3。

如题14图所示为某种质谱仪的结构示意图。

其中加速电场的电压为U，静电分析器中与圆心O1等距各点的电场强度大小相同，方向沿径向指向圆心O1。

磁分析器中以O2为圆心、圆心角为90°的扇形区域内，分布着方向垂直于纸面的匀强磁场，其左边界与静电分析器的右边界平行。

由离子源发出一个质量为m、电荷量为q的正离子〔初速度为零，重力不计〕，经加速电场加速后，从M点沿垂直于该点的场强方向进入静电分析器，在静电分析器中，离子沿半径为R的四分之一圆弧轨道做匀速圆周运动，并从N点射出静电分析器。

而后离子由P点沿着既垂直于磁分析器的左边界，又垂直于磁场方向射入磁分析器中，最后离子沿垂直于磁分析器下边界的方向从Q点射出，并进入收集器。

测量出Q点与圆心O2的距离为d。

（1〕求静电分析器中离子运动轨迹处电场强度E的大小；

（2〕求磁分析器中磁场的磁感应强度B的大小和方向；

（3〕通过分析和必要的数学推导，请你说明如果离子的质量为2m，电荷量仍为q，其他条件不变，这个离子射出电场和射出磁场的位置是否变化。

4、〔2018浙江省温州市十校联合体联考〕如下图为一种质谱仪示意图，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成。

：

静电分析器通道的半径为R，均匀辐射电场的场强为E。

磁分析器中有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感强度为B。

问：

〔1〕为了使位于A处电量为q、质量为m的离子，从静止开始经加速电场加速后沿图中圆弧虚线通过静电分析器，加速电场的电压U应为多大？

〔2〕离子由P点进入磁分析器后，最终打在乳胶片上的Q点，该点距入射点P多远？

5.（2017昌平期末）如图19所示为一质谱仪的构造原理示意图，整个装置处于真空环境中，离子源N可释放出质量均为m、电荷量均为q〔q＞0〕的离子。

离子的初速度很小，可忽略不计。

离子经S1、S2间电压为U的电场加速后，从狭缝S3进入磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外的匀强磁场中，沿着半圆运动到照相底片上的P点处，测得P到S3的距离为x。

求：

（1）离子经电压为U的电场加速后的速度v；

（2）离子的荷质比（q/m）

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