质谱仪专项训练卷.doc

内装订线学校:_姓名：_班级：_考号：_外装订线绝密启用前2013-2014学年度北京师范大学万宁附属中学质谱仪专项训练卷考试范围：电磁场；命题人：王占国；审题人：孙炜煜学校:_姓名：_班级：_考号：_题号一二三四五六七总分得分注意事项：1答题前填写好自己的姓名、班级、考号等信息2请将答案正确填写在答题卡上第I卷（选择题）请点击修改第I卷的文字说明评卷人得分一、选择题（题型注释）1图中所示为某种质谱仪的工作原理示意图。此质谱仪由以下几部分构成：粒子源N；P、Q间的加速电场；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；磁感应强度为B的有界匀强磁场，方向垂直纸面向外；胶片M。由粒子源发出的不同带电粒子，经加速电场加速后进入静电分析器，某些粒子能沿中心线通过静电分析器并经小孔S垂直磁场边界进入磁场，最终打到胶片上的某点。粒子从粒子源发出时的初速度不同，不计粒子所受重力。下列说法中正确的是A从小孔S进入磁场的粒子速度大小一定相等B从小孔S进入磁场的粒子动能一定相等C打到胶片上同一点的粒子速度大小一定相等D打到胶片上位置距离O点越远的粒子，比荷越大【答案】C【解析】试题分析：粒子经加速电场加速后根据动能定理，在四分之一圆形通道内，有径向的均匀辐射电场，粒子最终经小孔S垂直磁场边界进入磁场，说明在圆形通道内做圆周运动，电场力提供向心力，从小孔S进入磁场的粒子，在圆形通道内经过的位置电场强度相同，圆周运动半径相同。根据，虽然半径相同，但是电荷量和质量关系不明确，所以速度大小不确定，动能大小不确定，选项AB错。进入磁场后做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，打到胶片上同一点的粒子半径相同，根据，由于电场强度磁场强度和圆形通道内圆周运动半径相同，所以半径相同，选项C对。打到胶片上位置距离O点越远的粒子在磁场中做圆周运动半径越大即越大，说明速度越小，与比荷无关，选项D错。考点：带电粒子在电场磁场中的运动2如图是质谱仪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A 1 A 2 S下方有磁感应强度为B 0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能通过狭缝P的带电粒子的速率等于，与粒子带何种电荷无关D带电量相同的粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的质量越大【答案】ABC【解析】试题分析：进入B0的粒子满足，知道粒子电量后，便可求出m的质量，所以质谱仪可以用来分析同位素，故A正确；B、假设粒子带正电，则受电场力向左，由左手定则可判断磁场方向垂直直面向外，故B正确；C、由，得，此时离子受力平衡，可沿直线穿过选择器，故C正确；D、由，知R越小，荷质比越大；粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子圆周运动的半径越小荷质比越大；故D错误；考点：质谱仪的工作原理31922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若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所示，则下列相关说法中正确的是A该束带电粒子带正电；B速度选择器的P1极板带负电C在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小D在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大【答案】AC【解析】试题分析：带电粒子在磁场中向下偏转，磁场的方向垂直纸面向外，根据左手定则知，该粒子带正电，故A正确在平行金属板间，根据左手定则知，带电粒子所受的洛伦兹力方向竖直向上，则电场力的方向竖直向下，知电场强度的方向竖直向下，所以速度选择器的P1极板带正电，故B错误进入B2磁场中的粒子速度是一定的，根据qvB=m得，r=，知r越大，荷质比越小，而质量m不一定大故C正确、D错误故选AC考点：质谱仪和回旋加速器的工作原理4速度相同的一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关说法中正确的是A该束带电粒子带正电B速度选择器的P1极板带负电C能通过狭缝S0的带电粒子的速率等于EB1D粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝S0，粒子的比荷越大【答案】 AD【解析】试题分析：带电粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹，由左手定则可知该束带电粒子带正电，A选项正确；在速度选择器中，带正电的粒子受向下的磁场力，则必受向上的电场力，所以上极板带负电，B选项错误；由于在速度选择器中粒子做匀速直线与的，所以,C选项错误；带电粒子由左端射入质谱仪后做匀速圆周运动，由,粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝S0，R越小，而E、B1、B2不变，所以粒子的比荷越大，D选项正确。考点：质谱仪 速度选择器 带电粒子在磁场中的匀速圆周运动5如图所示为质谱仪的原理图利用这种质谱仪可以对氢元素进行测量氢元素的各种同位素，从容器A下方的小孔S1进入加速电压为U的加速电场，可以认为从容器出来的粒子初速度为零粒子被加速后从小孔S2进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条质谱线关于氢的三种同位素进入磁场时速率的排列顺序和三条谱线的排列顺序，下列说法中正确的是： A进磁场时速率从大到小的排列顺序是氕、氘、氚B进磁场时速率从大到小的排列顺序是氚、氘、氕Ca、b、c三条谱线的排列顺序是氕、氘、氚Da、b、c三条谱线的排列顺序是氘、氚、氕【答案】A【解析】试题分析：根据得，比荷最大的是氕，最小的是氚，所以进入磁场速度从大到小的顺序是氕、氘、氚故A正确、B错误进入偏转磁场有，氕比荷最大的，轨道半径最小，c对应的是氕，氚比荷最小，则轨道半径最大，a对应的是氚故CD错误故选A考点：质谱仪和回旋加速器的工作原理点评：解决本题的关键知道根据可求出速度，知道速度与比荷有关，以及知道根据可求出轨道半径与比荷有关6如右图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，粒子的比荷越小【答案】AC【解析】试题分析：带电粒子经加速后进入速度选择器，速度为粒子可通过选择器，然后进入B0，打在S板的不同位置。解：A、进入B0的粒子满足，知道粒子电量后，便可求出m的质量，所以质谱仪可以用来分析同位素，故A正确；B、由粒子在B0中的偏转方向可知粒子带正电，则受电场力向左，由左手定则可判断磁场方向垂直直面向里，故B错误；C、由qE=qvB，得，此时离子受力平衡，可沿直线穿过选择器，故C正确；D、，知R越小，荷质比越大，故D错误；故选：AC。考点：质谱仪和回旋加速器的工作原理点评：质谱仪工作原理应采取分段分析的方法，即粒子加速阶段，速度选择阶段，在磁场中运动阶段7如图有一混合正离子束先后通过正交电场磁场区域I和匀强磁场区域，如果这束正离子束在区域I中不偏转，进入区域后偏转半径又相同，则说明这些正子具有相同的 ( ) A速度 B质量C电荷 D比荷【答案】AD【解析】试题分析：正交电场磁场区域I是一个速度选择器，当时，正离子束在区域I中不偏转，此时，这些正离子具有相同的速度；匀强磁场区域是一个质谱仪，当离子以相同的速度进入磁场后，由可知，在同一磁场中，如果v相同，偏转半径又相同，则离子的即比荷相同。故选AD考点：质谱仪点评：速度选择器是利用电场力等于洛伦兹力的原理进行工作的，速度选择器只能选择速度而不能选择电性，相同速度的正离子垂直进入匀强电场，半径不同，比荷就不同，半径相同，比荷就相同8如图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下方有磁感应强度为B0的匀强磁场下列说法正确的是（ ）A速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里B能通过狭缝P的带电粒子的速率等于B / EC比荷（q/m）越大的粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P D粒子从P点运动到胶片A1A2的时间为2m/qB0 【答案】C【解析】试题分析：A、假设带电粒子带正电，在速度选择器中受向右的电场力，根据二力平衡可知受向左的洛伦兹力，根据左手定则判定，速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外；错误B、由于，所以带电粒子的速率；错误C、根据可知，所以比荷（q/m）越大的粒子半径越小，打在胶片上的位置越靠近狭缝P；正确D、粒子在磁场中做圆周运动的周期，所以粒子从P点运动到胶片的时间为；错误故选C考点：质谱仪点评：速度选择器的电场和磁场的大小和方向关系是一定的，必须满足电场力的洛伦兹力等大方向才行。质谱仪是一种很好的分析同位素的仪器。9质谱仪是一种测定带电粒子质量或分析同位素的重要设备，它的构造原理如图所示离子源S产生的各种不同正离子束（速度可视为零），经MN间的加速电压U加速后从小孔S1垂直于磁感线进入匀强磁场，运转半周后到达照相底片上的P点设P到S1的距离为x，则 （ ）A若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越小B若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越大C只要x相同，对应的离子质量一定相同D只要x相同，对应的离子的比荷一定相等【答案】BD【解析】试题分析：根据动能定理得，所以根据 得，所以，若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越大故A错误，B正确根据知x相同，则离子的荷质比相同故C错D对；考点：考查了质谱仪的计算点评：难度中等，解决本题的关键利用动能定理和牛顿第二定律求出P到S1的距离，从而得出x与电荷的比荷有关10物理理论成果总要推动社会实践科学的应用和发展，下列实践成果中属于应用了带电粒子在磁场中的偏转原理的是：（ ）A回旋加速器 B避雷针 C电视显像管 D验电器【答案】AC【解析】试题分析：回旋加速器利用粒子在磁场中受到洛伦兹力偏转，并在电场中加速度后进入另一个磁场中偏转，因此A正确。避雷针是利用尖端放电，电视显像管中电子在磁场中的偏转来实现，验电器是利用同种电荷排斥制作而成考点：实验仪器的工作原理点评：此类题型考察了常见仪器的工作原理。111922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱仪的研究荣获了诺贝尔化学奖。若一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列说法中正确的是：（ ）A该束带电粒子带负电B速度选择器的P1极板带负电C在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大D在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷q/m越小【答案】D【解析】试题分析：根据带电粒子在磁场中的偏转方向，磁场的方向垂直纸面向外，根据左手定则知，该粒子带正电故A错误根据左手定则知，带电粒子所受的洛伦兹力方向竖直向上，则电场力的方向竖直向下，知电场强度的方向竖直向下，所以速度选择器的P1极板带正电故B正确根据公式，得知r越大，荷质比越小，D正确，考点：考查了粒子在磁场中的偏转问题点评：解决本题的关键会根据左手定则判断洛伦兹力的方向，以及知道在速度选择器中，电荷所受的电场力和洛伦兹力平衡12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，设想有一个静止的质量为m、带电量为q的带电粒子(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的偏转磁场中，带电粒子打至底片上的P点，设OP=x，则在图中能正确反映x与U之间的函数关系的是（ ）【答案】B【解析】试题分析：根据动能定理，可得，粒子在磁场中偏转洛伦兹力提供向心力则，由图知,可见。故选B考点：质谱仪的工作原理点评：本题关键是根据动能定理得出速度，再利用洛伦兹力提供向心力得出轨道半径。13质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，它的构造原理如图所示，离子源S产生的各种不同正离子束(初速度可看作为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x，可以判断（ ）A若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小B若离子束是同位素，则x越大，离子质量越大C只要x相同，则离子的荷质比一定相同D只要x相同，则离子质量一定相同【答案】BC【解析】试题分析：根据动能定理求出粒子进入磁场的速度，根据牛顿第二定律求出轨道半径，从而得知x与什么因素有关。AB、离子束经加速电场加速据动能定理有：得；粒子垂直进入匀强磁场后，据牛顿第二定律有得：；则若粒子束是同位素，x越大对应的离子质量越大；只要x相同，则离子的荷质比一定相同；故BC正确故选BC考点：质谱仪点评：中等难度。本题关键是由动能定理和牛顿第二定律得出x与粒子比荷的关系。14质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具， 它的构造原理如图所示，离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看作为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S1的距离为x，可以判断（ ）A若离子束是同位素，则x越大，离子质量越大B若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小C只要x相同，则离子质量一定相同D只要x相同，则离子的荷质比一定相同【答案】AD 【解析】试题分析：根据动能定理得， 解得，根据，解得，所以若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越大故B错误，A正确根据知x相同，则离子的荷质比相同C错误，D正确考点：考查了质谱仪的应用点评：解决本题的关键利用动能定理和牛顿第二定律求出P到S1的距离，从而得出x与电荷的比荷有关15如图所示为质谱仪测定带电粒子质量的装置的示意图速度选择器（也称滤速器）中场强E的方向竖直向下，磁感应强度B1的方向垂直纸面向里，分离器中磁感应强度B2的方向垂直纸面向外在S处有甲、乙、丙、丁四个一价正离子垂直于E和B1入射到速度选择器中，若，在不计重力的情况下，则分别打在P1、P2、P3、P4四点的离子分别是（ ）A乙甲丙丁 B甲丁乙丙C丙丁乙甲 D丁甲丙乙【答案】B【解析】试题分析：四种粒子，只有两个例子通过速度选择器，只有速度满足，才能通过速度选择器，所以通过速度选择器进入磁场的粒子是乙和丙，根据公式可得乙的质量小于丙的质量，所以乙的半径小于丙的半径，则乙打在P3位置，丙打在P4位置，甲的速度小于乙的速度，即小于，洛伦兹力小于电场力，粒子向下偏转，打在P1位置，丁的速度大于，洛伦兹力大于电场力，粒子向上偏转，打在P2位置，故B正确，考点：考查了速度选择器的应用点评：解决本题的关键是知道只有速度满足，粒子才能通过速度选择器，以及知道根据公式比较轨道半径的大小16质谱仪是一种测定带电粒子质量或分析同位素的重要设备，它的构造原理如图示离子源S产生的各种不同正离子束（速度可视为零），经MN间的加速电压U加速后从小孔S1垂直于磁感线进入匀强磁场，运转半周后到达照相底片上的P点设P到S1的距离为x，则A若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越小B若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越大C只要x相同，对应的离子质量一定相同Dx相同，对应的离子的比荷可能不相等【答案】B【解析】试题分析：根据动能定理得，所以根据 得，所以，若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越大故A错误，B正确根据知x相同，则离子的荷质比相同故C、D错误考点：本题考查了质谱仪的计算点评：解决本题的关键利用动能定理和牛顿第二定律求出P到S1的距离，从而得出x与电荷的比荷有关17如图所示，有A、B、C、D四个离子，它们带等量的同种电荷，质量关系mA=mBmC=mD，以不等的速度vAvB=vCvD进入速度选择器后，只有两种离子从速度选择器中射出，进入B2磁场，由此可以判断A离子应带负电B进入B2磁场的离子是C、D离子C到达b位置的是C离子D到达a位置的是C离子【答案】D【解析】试题分析：粒子进入B2场区向左偏转，由洛仑兹力方向可知粒子带正电，在速度选择器中qvB=qE,v=E/B可知只有速度相同且等于v/B的粒子才能通过速度选择器，所以粒子为B、C两种，由洛仑兹力提供向心力可知半径，B粒子的质量较小，半径较小，打在b点的粒子为B粒子，C错D对；考点：考查质谱仪的工作原理点评：本题题干虽然没有明确说明该装置为质谱仪，但也能判断出来，明确只有速度满足一定条件时才能通过速度选择器，由洛仑兹力提供向心力能够推导出粒子偏转半径公式，判断半径与哪些因素有关18质谱议的构造原理如图所示从粒子源S出来时的粒子速度很小，可以看作初速为零，粒子经过电场加速后进入有界的垂直纸面向里的匀强磁场区域，并沿着半圆周运动而达到照相底片上的P点，测得P点到入口的距离为x，则以下说法正确的是A粒子一定带正电B粒子一定带负电Cx越大，则粒子的质量与电量之比一定越大Dx越大，则粒子的质量与电量之比一定越小【答案】AC【解析】由左手定则可判断，A对；半径为x/2，由可知C对；19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，则 Aa的质量一定大于b的质量Ba的电荷量一定大于b的电荷量Ca运动的时间大于b运动的时间Da的比荷大于b的比荷【答案】D【解析】带电粒子加速得，进入磁场，做圆周运动，则，x10)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)离子的比荷(q/m)【答案】(1) (2) 【解析】(1)离子经S1、S2间电压为U的电场加速,根据动能定理 所以 (2)设离子进入磁场后做匀速圆周运动速率为v,半径为R. 洛伦兹力提供向心力 又因 R=x 联立,解得 38(12分)(2010苏州模拟)质谱仪可测定同位素的组成现有一束一价的钾39和钾41离子经电场加速后，沿着与磁场和边界均垂直的方向进入匀强磁场中，如图所示测试时规定加速电压大小为U0，但在实验过程中加速电压有较小的波动，可能偏大或偏小U.为使钾39和钾41打在照相底片上的区域不重叠，U不得超过多少？(不计离子的重力)【答案】 【解析】39（8分）如图所示是质谱仪示意图，图中离子源S产生电荷量为q的离子，经电压为U的电场加速后，由A点垂直射人磁感应强度为B的有界匀强磁场中，经过半个圆周，打在磁场边界底片上的P点，测得PA=d，求离子的质量m。【答案】【解析】粒子在电场中加速出射速度为”，由动能定理得 离子在磁场中做匀速圆周运动 由以上各式解得： 评分标准：本题共8分，每式2分。40如图所示，质量为m带电量为q的带电粒子，从离子源以很小的速度进入电势差为U的电场中加速后垂直进入磁场强度为B的磁场中，不计粒子从离子源射出时的速度，求：（1）带电粒子进入磁场时的速度大小？（2）带电粒子进入磁场的偏转半径？【答案】（1）（2）【解析】（1）根据动能定理： 解得：（2）带电粒子做匀速圆周运动：所以：r=评卷人得分五、作图题（题型注释）评卷人得分六、简答题（题型注释）评卷人得分七、综合题41图4是测量带电粒子质量的仪器的工作原理示意图.设法使某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器A中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变为正一价的分子离子.分子离子从狭缝S1以很小的速度进入电压为U的加速电场区（初速不计），加速后，再通过狭缝S2、S3射入磁感应强度为B的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ.最后，分子离子打到感光片上，形成垂直于纸面且平行于狭缝S3的细线.若测得细线到狭缝S3的距离为d，试导出分子离子的质量m的表达式.图4【答案】【解析】以m、e表示离子的质量和电荷量，以v表示离子从狭缝S2射出时的速度，在电场中，由动能定理可得: 射入磁场后，在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，由牛顿第二定律可得: 式中R为圆的半径，且有:d=2R,解得: 42如图所示，一质量为m，电荷量为q的粒子从容器A下方小孔S1飘入电势差为U的加速电场，然后让粒子垂直进入磁感应强度为B的磁场中，最后打到底片D上. (1)粒子进入磁场时的速率。(2)求粒子在磁场中运动的轨道半径。【答案】（1）（2）【解析】（1）粒子在S1区做初速度为零的匀加速直线运动.由动能定理知，粒子在电场