高中物理：带电粒子运动之速度选择器

星宸物理 2020-11-30

速度选择器是带电粒子在复合场中运动的一个典型的模型，他也是质谱仪的一部分，质谱仪是由粒子源、加速场、速度选择器和偏转场这四部分构成。当一个带电粒子从粒子源飘出，经过加速场获得一定的速度，然后沿着中线进入速度选择器，在速度选择器中存在电场和磁场，相互垂直的电场和磁场，当粒子进入速度选择器时，如果它受力平衡，即受到的电场力和洛伦兹力相等时，做匀速直线运动，如果它受力不平衡，将会发生偏转打到极板上。当粒子在速度选择器中做匀速直线运动时，受力平衡，他受到的洛伦兹力和电场力平衡，即Bqv=qE，得到速度 v=E/B，可以通过调节E和B的大小来调节速度的大小，速度v=E/B 只与场有关，是与q无关的。只有v=E/B这个速度的粒子能够沿直线通过速度选择器。如果速度比它大，洛伦兹力大于电场力，就会发生偏转，不会作直线运动；如果速度小的话，洛伦兹力小于电场力，他仍然不能受力平衡，还会发生偏转；所以只有v=E/B这个速度的粒子能够沿直线穿过。这就是速度选择器的原理。

从上面的分析知道了速度选择器的一般规律，但是速度选择器的种类有几种，具体是有什么特点，下面就跟着董老师，一起来探个究竟吧。

一、左进速度选择器

如图所示，如果电场强度E和磁感应强度B为定值，当qE＝qvB时，粒子沿图中的虚线匀速通过速度选择器，这样，选择出的速度v＝E/B，如果粒子速度大于v将向上偏转，速度小于v将向下偏转。改变所选速度的大小可通过改变B和E的大小来实现。

模型一

此选择器只能让粒子从左边进入，从右边进入就不可以。从左边进入的速度选择器还可以是下面的电场和磁场组合。

模型二

二、右进速度选择器

下面两种是右进速度选择器，供大家参考。粒子从右边界进入。也可达到选择速度的效果。

模型三

模型四

【例题】在两平行金属板间，有如图所示的互相正交的匀强电场和匀强磁场。α粒子以速度v0从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入时，恰好能沿直线匀速通过。供下列各小题选择的答案有：

A.不偏转

B.向上偏转

C.向下偏转

D.向纸内或纸外偏转

(1)若质子以速度v0从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入时，质子将________。

(2)若电子以速度v0从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入时，电子将________。

(3)若质子以大于v0的速度，沿垂直于电场方向和磁场方向从两板正中央射入时，质子将________。

(4)若增大匀强磁场的磁感应强度，其他条件不变，电子以速度v0沿垂直于电场和磁场的方向，从两板正中央射入时，电子将________。

答案　(1)A(2)A(3)B(4)C

【规律总结】

只要带电粒子的速度满足v＝E/B，即使电性不同，比荷不同，也可沿直线穿过选择器，而其他速度的粒子要么上偏，要么下偏。因此利用这个装置可以达到选择某一速度的带电粒子的目的。

速度选择器选择的是速度，不选择电性和电量，但是速度选择器是单行道，需要确定粒子运动的方向。根据电场和磁场的方向，可以有四种组合，上面我们已经做了详细的说明。