【高中物理】质谱仪与回旋加速器练习 2023-2024学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册

质谱仪与回旋加速器练习一、选择题1．如图为一质谱仪的原理图，粒子源中有大量电荷量均为q而质量m不同的带电粒子，从S1进入S1S2间的加速电场，加速后进入电场强度E和磁感应强度B1恒定不变的速度选择器P1P2间，能通过狭缝S3的粒子竖直向下垂直进入磁感应强度为B2的匀强磁场中，偏转后打到水平照相底片上形成谱线。若粒子在匀强磁场B2中的偏转距离为x，不计粒子重力，则x与m的关系式为()A．x＝eq\f(2mE,qB1B2) B．x＝eq\f(mE,qB1B2)C．x＝eq\f(3mE,qB1B2) D．x＝eq\f(4mE,qB1B2)2．如图，一束正离子先后经过速度选择器和匀强磁场区域，则在速度选择器中沿直线运动，且在匀强磁场中偏转半径又相等的离子具有相同的()A.电荷量和质量 B.质量和动能C.速度和比荷 D.速度和质量3．如图所示为质谱仪的示意图。电荷量和质量不同的离子从电离室A中“飘”出，从缝S1进入电势差恒定的加速电场中加速，然后从S3垂直进入匀强磁场B中做匀速圆周运动，最后打在照相底片上。已知质子从静止开始被加速电场加速，经磁场偏转后打在底片上的P点，某二价正离子从静止开始经相同的电场加速和磁场偏转后，打在底片上的Q点，已知QS3＝12PS3，则离子质量和质子质量之比为()A．12 B．24C．144 D．2884．如图所示为质谱仪的原理示意图，现让某束离子(可能含有多种离子)从容器A下方的小孔无初速度飘入电势差为U的加速电场，经电场加速后垂直进入磁感应强度大小为B的匀强磁场中，在照相底片上形成a、b两条“质谱线”，则下列判断正确的是()A．a、b谱线对应的离子均带负电B．a谱线对应的离子的质量较大C．b谱线对应的离子的质量较大D．a谱线对应的离子的比荷较大5.1922年，英国科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。质谱仪的两大重要组成部分是加速电场和偏转磁场。如图所示为质谱仪的原理图，设想有一个静止的带电粒子P(不计重力)，经电压为U的加速电场加速后，垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到底片上的D点。设OD＝x，则在下列图像中能正确反映x2与U之间函数关系的是()eq\o(\s\up7(),\s\do15(A))eq\o(\s\up7(),\s\do15(B))eq\o(\s\up7(),\s\do15(C))eq\o(\s\up7(),\s\do15(D))6.(多选)1932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D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法不正确的是()A．离子由加速器的中心附近进入加速器B．离子由加速器的边缘进入加速器C．离子从磁场中获得能量D．离子从电场中获得能量7.(多选)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面的匀强磁场中，如图所示，要增大带电粒子射出时的动能，粒子重力不计，下列说法正确的是()A．增大交流电源的电压B．增大磁感应强度C．减小狭缝间的距离D．增大D形盒的半径8.如图所示，回旋加速器的主要结构是在磁极间的真空室内有两个半圆形的金属扁盒(D形盒)隔开相对放置，下列说法正确的是()A．回旋加速器可以同时加速α粒子(eq\o\al(4,2)He)和氚核(eq\o\al(3,1)H)B．带电粒子每一次通过狭缝时获得的能量不同C．被加速的粒子获得的最大动能是由通过交变电场的次数决定的D．粒子在D形盒间隙中运动可看作匀变速直线运动9.如图所示为回旋加速器的主要结构，两个半径为R的半圆形中空金属盒D1、D2置于真空中，两盒间留有一狭缝；在两盒的狭缝处加上大小为U的高频交变电压，空间中存在着磁感应强度大小为B、方向垂直向上穿过盒面的匀强磁场。从粒子源P引出质量为m、电荷量为q的粒子，粒子初速度视为零，在狭缝间被电场加速，在D形盒内做匀速圆周运动，最终从边缘的出口处引出。不考虑相对论效应，忽略粒子在狭缝间运动的时间，则()A．仅提高加速电压，粒子最终获得的动能增大B．所需交变电压的频率与被加速粒子的比荷无关C．粒子第n次通过狭缝后的速度大小为eq\r(\f(2（n＋1）qU,m))D．粒子通过狭缝的次数为eq\f(qB2R2,2mU)10．如图甲所示是用来加速带电粒子的回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，两盒分别与高频交流电源相连。带电粒子在磁场中运动的动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示。忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断正确的是()A．在Ekt图像中应有t4－t3<t3－t2<t2－t1B．加速电压越大，粒子最后获得的动能就越大C．粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大D．要想粒子获得的最大动能增大，可增加D形盒的面积二、非选择题11.在近代物理实验中，常用回旋加速器加速得到高速粒子流。回旋加速器的结构如图所示，设带电粒子质量为m，电荷量为q，匀强磁场磁感应强度为B，D形盒的最大半径为R，两个D形盒之间的距离为d，d远小于R，D形盒之间所加交变电压大小为U。不计粒子的初速度及运动过程中质量的变化，求：(1)所加交变电压的周期T；(2)带电粒子离开D形盒时的动能Ekm；(3)带电粒子在回旋加速器磁场中运动的时间t1及在两D形盒间电场中运动的时间t2，并证明粒子在电场中运动的时间可以忽略不计。答案：1．A2．C3．D4．D5.A6.BC7.BD8.D9.D10．D11.(1)eq\f(2πm,qB)(2)eq\f(q2B2R2,2m)(3)粒子在两D形盒的缝隙之间的不连续匀加速运动，可等效成初速度为零、末速度为vm的匀加速直线运动。由qeq\f(U,d)＝ma，vm＝at2得粒子在电场中的加速时间为t2＝eq\f(BdR,U)，设粒子在电场中加速的次数为n，由Ekm＝nqU，得n＝eq\f(qB2R2,2mU)，粒子在磁场中匀速圆周运动的周期为T＝eq\f