人教版（2019）高中物理选修二质谱仪和回旋加速器基础训练

质谱仪和回旋加速器基础训练1．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两极相连接的两个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的匀强磁场中，如图所示．设D形盒半径为．若用回旋加速器加速质子（氢核）时，匀强磁场的磁感应强度为，高频交流电的频率为．质子质量为，电荷量为．则下列说法正确的是（）A．高频交流电频率应为B．质子被加速后的最大动能不可能超过C．质子被加速后的最大动能与狭缝间的加速电压、加速次数有关D．不改变和，该回旋加速器也能用于加速粒子（即氦核）2．美国物理学家劳伦斯于1932年发明的回旋加速器，应用带电粒子在磁场中做圆周运动的特点，能使粒子在较小的空间范围内经过电场的多次加速获得较大的能量，使人类在获得高能量带电粒子方面前进了一步.如图为一种改进后的回旋加速器示意图，其中盒缝间的加速电场场强大小恒定，且被限制在A、C板间，如图所示.带电粒子从P0处以速度v0沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动.对于这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是()A．带电粒子每运动一周被加速两次B．带电粒子每运动一周P1P2=P2P3C.加速电场方向需要做周期性的变化D.加速粒子的最大速度与D形盒的尺寸有关3．回旋加速器是用来加速带电粒子的装置，如图1所示．它的核心部分是两个D形金属盒，两盒相距很近，分别和高频交流电源相连接，两盒间的窄缝中形成匀强电场，使带电粒子每次通过窄缝都得到加速．两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，带电粒子在磁场中做圆周运动，通过两盒间的窄缝时反复被加速，直到达到最大圆周半径时通过特殊装置被引出．如果用同一回旋加速器分别加速氚核(13H)和α粒子(24He)，比较它们所加的高频交流电源的周期和获得的最大动能的大小，有(　　)A．加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能也较大B．加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能较小C．加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能也较小D．加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能较大4．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  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的比荷大于b的比荷5．回旋加速器的核心部分是两个半径为R的D型金属扁盒，如图，盒正中央开有一条窄缝，在两个D型盒之间加交变电压，于是在缝隙中形成交变电场，由于屏蔽作用，在D型盒内部电场很弱，D型盒装在真空容器中，整个装置放在巨大电磁铁的两极之间，磁场方向垂直于D型盒的底面，只要在缝隙中的交变电场的频率不变，便可保证粒子每次通过缝隙时总被加速，粒子的轨道半径不断增大，并逐渐靠近D型盒边缘，加速到最大能量E后，再用特殊的装置将它引出。在D型盒上半面中心出口A处有一正离子源，正离子所带电荷量为q、质量为m，加速时电极间电压大小恒为U。（加速时的加速时间很短，可忽略；正离子从离子源出发时初速为零）。则下列说法正确的是AA．增大交变电压U，则正离子在加速器中运行时间将变短B．增大交变电压U，则正离子在加速器中运行时间将不变试卷第5页，总5页 C．正离子第n次穿过窄缝前后的速率之比为D．回旋加速器所加交变电压的频率为6．（2012年2月宁波八校联考）如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D型金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核（H）和氦核（He）。下列说法中正确的是A．它们的最大速度相同B．它们的最大动能相同C．它们在D形盒内运动的周期相同D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能7．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两极相连接的两个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形金属盒处于垂直盒底的匀强磁场中，如图所示。已知D形盒半径为R，当用回旋加速器加速质子时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交变电压的频率为f。则下列说法正确的是（）A．加速电压越大，质子最后获得的速度越大B．质子最后获得的速度与加速电压的大小无关C．质子被加速后的最大速度不可能超过2πfRD．不改变B和f，该回旋加速器也能用于加速电子8．如图所示，回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的装置．其核心部分是两个D型金属盒，置于匀强磁场中，两盒分别与高频电源相连。则下列说法正确的是()A．离子做圆周运动的周期随半径增大B．离子从磁场中获得能量C．带电粒子加速所获得的最大动能与加速电压的大小有关D．带电粒子加速所获得的最大动能与金属盒的半径有关9．1922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。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10．一个用于加速质子的回旋加速器，其核心部分如图所示，D形盒半径为R，垂直D形盒底面的匀强磁场的磁感应强度为B，两盒分别与交流电源相连．下列说法正确的是：A．质子被加速后的最大速度随B、R的增大而增大B．质子被加速后的最大速度随加速电压的增大而增大C．只要R足够大，质子的速度可以被加速到任意值D．为了使质子每次经过D形盒间缝隙时都能得到加速，应使交变电压的周期等于质子的回旋周期11．回旋加速器是获得高能带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源的两极相连的两个D形盒，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的匀强磁场中，如图所示，关于回旋加速器的下列说法正确的是[]A．狭缝间的电场对粒子起加速作用，因此加速电压越大，带电粒子从D形盒射出时的动能越大B．磁场对带电粒子的洛仑兹力对粒子不做功，因此带电粒子从D试卷第5页，总5页 形盒射出时的动能与磁场的强弱无关C．带电粒子做一次圆周运动，要被加速两次，因此交变电场的周期应为圆周运动周期的二倍D．用同一回旋加速器分别加速不同的带电粒子，一般要调节交变电场的频率12．两个相同的回旋加速器，分别接在加速电压U1和U2的高频电源上，且U1>U2，有两个相同的带电粒子分别在这两个加速器中运动,设两个粒子在加速器中运动的时间分别为t1和t2，获得的最大动能分别为Ek1和Ek2，则（）A.t1<t2,Ek1>Ek2B.t1=t2,Ek1<Ek2C.t1>t2,Ek1=Ek2D.t1<t2,Ek1=Ek213．回旋加速器是加速带电粒子的装置，其主体部分是两个D形金属盒．两金属盒处在垂直于盒底的匀强磁场中，并分别与高频交流电源两极相连接，从而使粒子每次经过两盒间的狭缝时都得到加速，如图所示．现要增大带电粒子从回旋加速器射出时的动能，下列方法可行的是()A．减小磁场的磁感应强度B．减小狭缝间的距离C．增大高频交流电压D．增大金属盒的半径14．如图所示为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。下列表述正确的是A．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向内  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，粒子的荷质比越小15．环型对撞机是研究高能粒子的重要装置，其核心部件是一个高真空的圆环状空腔。若带电粒子初速度为零，经电压为U的电场加速后，沿圆环切线方向注入对撞机的环状空腔内，腔内存在着与圆环平面垂直的匀强磁场，磁感应强度大小为B。带电粒子将被局限在圆环状腔内运动。要维持带电粒子在圆环内做半径确定的圆周运动，下列说法正确的是A．对于给定的加速电压，带电粒子的比荷q/m越大，磁感应强度B越大B．对于给定的加速电压，带电粒子的比荷q/m越大，磁感应强度B越小C．对于给定的带电粒子，不管加速电压U多大，粒子运动的周期都不变D．对于给定的带电粒子，加速电压U越大，粒子运动的周期越小16．如图是医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核（）和氦核（）。下列说法中正确的是()A．它们的最大速度相同B．它们的最大动能相同C．它们在D形盒中运动的周期相同D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能17．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，则下列判断正确的是（）A.若离子束是同位素（质子数相同质量数不同），x越大，离子质量越小B.若离子的荷质比q/m相同，如果加速电压越大，则x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18．质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具,如图为质谱仪原理示意图．现利用这种质谱议对氢元素进行测量．氢元素的各种同位素从容器A下方的小孔S无初速度飘入电势差为U的加速电场,加速后垂直进入磁感强度为B的匀强磁场中．氢的三种同位素氕、氘、氚的电量之比为1：1：1，质量之比为1：2：3，它们最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”．关于三种同位素进入磁场时速度的排列顺序和a、b、c三条“质谱线”的排列顺序，下列判断正确的是。试卷第5页，总5页 A．进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氚、氘、氕B．进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氘、氚、氕C．a、b、c三条质谱线依次排列的顺序是氘、氚、氕D．a、b、c三条质谱线依次排列的顺序是氚、氘、氕19．关于回旋加速器，下列说法正确的是（）A、离子从磁场中获得能量B、离子由加速器的中心附近进入加速器C、增大加速器的加速电压，则粒子离开加速器时的动能将变大D、将D形盒的半径加倍，离子获得的动能将增加为4倍20．关于回旋加速器加速带电粒子所获的能量（）A.与加速器的半径有关,半径越大,能量越大B.与加速器的磁场有关,磁场越强,能量越大C.与加速器的电场有关,电场越强,能量越大D.与带电粒子的质量和电量均有关,质量和电量越大,能量越大21．关于回旋加速器的下列说法，其中正确的有（）A．电场用来加速带电粒子，磁场则使带电粒子旋转B．电场和磁场同时用来加速带电粒子C．在确定的交流电源下，回旋加速器的半径越大，同一带电粒子获得的动能越大D．同一带电粒子获得的最大动能只与交流电源的电压大小有关，而与交流电源的频率无关22．如图所示为测定带电粒子比荷（）的装置，粒子以一定的初速度进入并沿直线通过速度选择器，速度选择器内有相互正交的匀强磁场和匀强电场，磁感应强度和电场强度速度选分别为B和E。然后粒子通过平板S上的狭缝P，进入另一匀强磁场，最终打在能记录粒子位置的胶片AlA2上。下列表述正确的是（）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C．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越大23．用回旋加速器加速质子，为了使质子获得的动能增大为原来的4倍，可以（）A．将D型金属盒的半径增大为原来的2倍B．将磁场的磁感应强度增大为原来的4倍C．将加速电场的电压增大为原来的4倍D．将加速电场的频率增大为原来的4倍24．如图15-5-20所示，有a、b、c、d四个离子，它们带同种电荷且电荷量相等，它们的速率关系为va＜vb=vc＜vd，质量关系为ma=mb＜mc=md.进入速度选择器后，有两种离子从速度选择器中射出，由此可以判定()A.射向P1的是a粒子B.射向P2的是b粒子C.射向A1的是c粒子D.射向A2的是d粒子25．如图所示，回旋加速器D形盒的半径为r，匀强磁场的磁感应强度为B.一个质量为m、电荷量为q的粒子在加速器的中央从速度为零开始加速.根据回旋加速器的这些数据，估算出该粒子离开加速器时获得的动能为________________.26．(12分)如图14所示，回旋加速器D形盒的半径为R，用来加速质量为m、电荷量为q的质子，使质子由静止加速到能量为E后，由A孔射出，求：(1)加速器中匀强磁场B的方向和大小；(2)设两D形盒间距为d，其间电压为U，电场视为匀强电场，质子每次经电场加速后能量增加，加速到上述能量所需回旋周数；(3)加速到上述能量所需时间．试卷第5页，总5页 27．如图所示为质谱仪的原理图，A为粒子加速器，电压为U1；B为速度选择器，磁场与电场正交，磁感应强度为B1，板间距离为d；C为偏转分离器，磁感应强度为B2。今有一质量为m、电量为q的正离子经加速后，恰好通过速度选择器，进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动，不计重力。求：粒子的速度v；⑵速度选择器的电压U2；⑶粒子在B2磁场中做匀速圆周运动的半径R。28．（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。29．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？30．（10分）质谱仪原理如图，a为粒子加速器电压为u1，b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感强度为B1，板间距离为d，c为偏转分离器，磁感强度为B2，今有一质量为m，电量为+e的电子（不计重力），经加速后，该离子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动，求：（1）粒子的速率v（2）速度选择器的电压u2（3）粒子在B2的磁场中做匀速圆周运动的半径R31．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.试卷第5页，总5页 参考答案1．B2．D3．B4．D5．AC6．AC7．BC8．D9．D10．AB11．D12．D13．D14．BC15．BD16．AC17．D18．D19．BD20．AB21．AD22．BD23．A24．A25．26．(1)　方向垂直于纸面向里(2)　(3)27．解：⑴粒子经加速电场U1加速，获得速度V，由动量定理得：qU1=mv2解得v=[来源:学*科*网Z*X*X*K]⑵在速度选择器中作匀速直线运动，电场力与洛仑兹力平衡得Eq=qvB1即U2=B1dv=B1d⑶在B2中作圆周运动，洛仑兹力提供向心力，R===28．29．（1）（2）30．（1）（2）u2=dB1（3）R=31．答案第1页，总1页