高中4 质谱仪与回旋加速器当堂检测题

2020-2021学年高二物理人教版（2019）选择性必修第二册随堂检测（4）质谱仪与回旋加速器

1.质谱仪又称质谱计，是分离和检测不同同位素的仪器。某质谱仪的原理图如图所示，速度选择器中匀强电场的电场强度大小为，匀强磁场的磁感应强度大小为，偏转磁场(匀强磁场)的磁感应强度大小为。电荷量为的粒子在加速电场中由静止加速后进入速度选择器恰好能从速度选择器进入偏转磁场做半径为的匀速圆周运动。粒子重力不计，空气阻力不计。该粒子的质量为(   )

A. B. C. D.

2.磁流体发电是一项新兴技术，如图是磁流体发电机的示意图.平行金属板间距为d、面积为S，两金属板和电阻R连接.一束等离子体以恒定速度垂直于磁场方向喷入磁感应强度为B的匀强磁场中，电路稳定时电阻R两端会产生恒定电势差U.假定等离子体在两板间均匀分布，忽略边缘效应，则等离子体的电导率δ（电阻率的倒数）的计算式是(   )

A. B. C. D.

3.医生做某些特殊手术时，利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速度.电磁血流计由一对电极a和b及一对磁极N和S构成，磁极间的磁场是均匀的.使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线、磁场方向和血流速度方向两两垂直，如图所示.由于血液中的正负离子随血流一起在磁场中运动，电极a、b之间会有微小电势差.在达到平衡时，血管内部的电场可看成匀强电场，血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零.在某次监测中，两触点的距离为3.0 mm，血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为160 μV，磁感应强度的大小为0.040 T.则血流速度的近似值和电极a、b的正负为(   )

A.1.3 m/s，a正、b负  B.2.7 m/s，a正、b负 

C.1.3 m/s，a负、b正  D.2.7 m/s，a负、b正

4.笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件.当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作；当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态.如图所示，一块宽为a、长为c的矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子，通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为v.当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向下的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压U，以此控制屏幕的熄灭.则元件的(   )

A.前表面的电势比后表面的低 B.前、后表面间的电压U与v无关

C.前、后表面间的电压U与c成正比 D.自由电子受到的洛伦兹力大小为

5.关于下列四幅图的说法正确的是（   ）

A.图甲是用来加速带电粒子的回旋加速器的示意图，要想粒子获得的最大动能增大，可增加电压

B.图乙是磁流体发电机的结构示意图，可以判断出B极板是发电机的正极，A极板是发电机的负极

C.图丙是速度选择器的示意图，带电粒子（不计重力）能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是，即

D.图丁是质谱仪的结构示意图，粒子打在底片上的位置越靠近狭缝说明粒子的比荷越小

6.1930年劳伦斯制成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形盒构成，其间留有空隙，下列说法正确的是(   )

A.粒子从电场中获得能量

B.粒子获得的最大速度与回旋加速器半径有关

C.粒子获得最大速度与回旋加速器内的电场有关

D.回旋加速器中的电场和磁场交替对带电粒子做功

7.如图所示为一种质谱仪的原理示意图，质谱仪主要由加速电场、静电分析器和磁分析器组成.若静电分析器通道中心线的半径为R，通道内均匀辐射电场，在中心线处的电场强度大小为E，磁分析器有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外.一质量为m、电荷量为q的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由P点垂直边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q点.不计粒子重力.下列说法正确的是(   )

A.极板M的电势比极板N的电势高

B.加速电场的电压

C.直径

D.若一群粒子从静止开始经过题述过程都落在胶片上的同一点，则该群粒子具有相同的比荷

8.如图所示是某化工厂测量污水排放量的设计图，在排污管末端安装流量计，该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为，左、右两端开口，在垂直于前、后面的方向加磁感应强度为B的匀强磁场，在上、下两个面的内侧固定有金属板作为电极，污水充满管道从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U，若用Q表示污水流量(单位时间内流出的污水体积)，下列说法中正确的是(   )

A.M板的电势一定低于N板的电势 

B.污水流动的速度越大，电压表的示数越大

C.污水中离子浓度越高，电压表的示数越大 

D.电压表的示数U与污水流量Q成正比

答案以及解析

1.答案：A

解析：A.在速度选择器中做匀速直线运动的粒子能进入偏转磁场，由平衡条件得：，粒子速度：，粒子在磁场中做匀速圆周运动，由牛顿第二定律得：，解得：；故A正确，BCD错误；故选：A。

2.答案：A

解析：由左手定则知，正离子向P板运动，即P板带正电.电路稳定时，等离子体所受电场力等于洛伦兹力，设两板间电动势为E，则有，解得，根据欧姆定律可知为板间等离子体的电阻，且，联立可得等离子体的电导率δ的表达式为，故A正确.

3.答案：A

解析：血液中正负离子流动时，根据左手定则，正离子受到向上的洛伦兹力，负离子受到向下的洛伦兹力，所以正离子向上偏，负离子向下偏，则电极a为正，电极b为负，故C、D错误；最终血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零，有，所以血流速度，故A正确，B错误.

4.答案：D

解析：由题可知，在霍尔元件中，通过的粒子是电子，由左手定则知，自由电子所受洛伦兹力方向指向霍尔元件的后表面，可知后表面带负电，则前表面的电势比后表面的高，选项A错误；电子在霍尔元件中定向移动，由平衡条件得，解得前、后表面间的电压，故U与c无关，与v有关，选项B、C错误；自由电子所受的洛伦兹力大小为，选项D正确.

5.答案：B

解析：A.甲图中，根据

可知

粒子获得的最大动能为

所以要想粒子获得的最大动能增大，可增加形盒的半径和增大磁感应强度，增加电压不能增大最大初动能，故A错误；

B.乙图中根据左手定则，正电荷向下偏转，所以B极板带正电，为发电机的正极，A极板是发电机的负极，故B正确；

C.丙图中，电子从右向左运动通过复合场时，电场力竖直向上，根据左手定则，洛伦兹力方向也向上，所以不是速度选择器，故C错误；

D.由

可得

知越小，说明比荷越大，故D错误。

故选B。

6.答案：AB

解析：回旋加速器中的电场对带电粒子做功，粒子在电场中加速，在磁场中偏转，可知粒子从电场中获得能量，故A正确，D错误.根据，得，可知粒子获得的最大速度与回旋加速器半径有关，与回旋加速器内的电场无关，故B正确，C错误.

7.答案：AD

解析：粒子最终要打到胶片上的Q点，根据磁场方向和左手定则可知，粒子带正电，在加速电场能够加速，则极板M的电势比极板N的电势高，A正确；在静电分析器中带电粒子做匀速圆周运动，电场力提供向心力，即，又，可得，B错误；根据，可得，则，C错误；若一群粒子从静止开始经过题述过程都落在胶片上的同一点，即r相同，则可知该群粒子具有相同的比荷，D正确.

8.答案：BD

解析：根据左手定则知，负离子所受的洛伦兹力方向向下，则负离子向下偏转，N板带负电，M板带正电，则M板的电势比N板的电势高，故A错误.最终离子在电场力和洛伦兹力作用下平衡，有，解得，可知电压表的示数随污水流动速度的增大而增大，与污水中离子浓度无关，故B正确，C错误.根据，流量，得，可知电压表的示数与污水流量成正比，故D正确.