【备战2022】高考物理选择题专题强化训练：质谱仪回旋加速器

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【备战2022】高考物理选择题专题强化训练：质谱仪回旋加速器一、单项选择题（共14小题；共56分）1. 有一回旋加速器，两个 D 形盒的半径为 R，两 D 形盒之间的高频电压为 u，偏转磁场的磁感应强度为 B。如果一个 α 粒子和一个氚核（H13），都从加速器的中心开始被加速，则它们从 D 形盒飞出的速度之比 vαvH13 为 A. 32 B. 23 C. 32 D. 23 2. 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 以及一对磁极 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作是匀强电场，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，两触点间的距离为 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 3. 如图所示，截面为矩形的金属导体，放在磁场中，当导体中通有图示电流时，导体的上、下表面的电势关系为 A. UM>UN B. UM=UN C. UMU2，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. t1Ek2 B. t1=t2，Ek1t2，Ek1=Ek2 D. t1BvdC B. 当开关 S 断开时，稳定后电容器的电荷量 QBvdC 12. 目前，世界上正在研究一种新型发电机叫磁流体发电机。如图所示表示了它的发电原理：将一束等离子体喷射入磁场，磁场中有两块金属板 A 、 B，这时金属板上就会聚集电荷，产生电压。如果射入的等离子体的初速度为 v，两金属板的板长（沿初速度方向）为 L，板间距离为 d，金属板的正对面积为 S，匀强磁场的磁感应强度为 B，方向垂直于离子初速度方向，负载电阻为 R，电离气体充满两板间的空间。当发电机稳定发电时，电流表的示数为 I，那么板间电离气体的电阻率为。 A. Sd(BdvI−R) B. Sd(BLvI−R) C. SL(BdvI−R) D. SL(BLvI−R) 13. 回旋加速器的工作原理示意图如图所示。置于高真空中的 D 形金属盒半径为 R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略。磁感应强度为 B 的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电的频率为 f，加速电压为 U。若 A 处粒子源产生的质子质量为 m 、电荷量为 +q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响。则下列说法中正确的是 A. 质子被加速后的最大速度不可能超过 2πRf B. 质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压 U 成正比 C. 质子第 2 次和第 1 次经过两 D 形盒间狭缝后轨道半径之比为 1:2 D. 不改变磁感应强度 B 和交流电频率 f，该回旋加速器也能用于 α 粒子（含两个质子，两个中子）的加速 14. 电磁流量计广泛应用于测量可导电流体（如污水）在管中的流量（在单位时间内通过管内横截面的流体的体积）。为了简化，假设流量计是如图所示的横截面为长方形的一段管道，其中空部分的长、宽、高分别为图中的 a 、 b 、 c，流量计的两端与输送液体的管道相连接（图中虚线）。图中流量计的上下两面是金属材料，前后两面是绝缘材料，现于流量计所在处加磁感应强度为 B 的匀强磁场，磁场方向垂直于前后两面。当导电液体稳定地流经流量计时，在管外将流量计上、下两表面分别与一串接了电阻 R 的电流表的两端连接，I 表示测得的电流值。已知流体的电阻率为 ρ，不计电流表的内阻，则可求得流量为 A. IBbR+ρca B. IBaR+ρbc C. IBcR+ρab D. IBR+ρbca 二、双项选择题（共12小题；共48分）15. 磁流体发电机可简化为如下模型：两块长、宽分别为 a 、 b 的平行板，彼此相距 L，板间通入已电离的速度为 v 的气流，两板间存在一磁感应强度大小为 B 的匀强磁场，磁场方向与两板平行，并与气流速度方向垂直，如图所示。把两板与外电阻 R 连接起来，在洛伦兹力作用下，气流中的正、负离子分别向两板移动形成电流。设该气流的导电率（电阻率的倒数）为 σ，则 A. 该磁流体发电机模型的内阻为 r=Lσab B. 产生的感应电动势为 E=Bav C. 流过外电阻 R 的电流为 I=BLvR+Lσab D. 该磁流体发电机模型的路端电压为 BLvRR+σLab 16. 回旋加速器的原理如图所示，它由两个铜质 D 形盒 D1 、 D2 构成，其间留有空隙，下列说法正确的是 A. 粒子从磁场中获得能量 B. 粒子从电场中获得能量 C. 粒子在 D 形盒中的运动周期不变 D. 粒子在 D 形盒中的运动周期逐渐变长 17. 为了测量某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为 a 、 b 、 c，左右两端开口，在垂直于上、下底面方向加磁感应强度为 B 的匀强磁场，在前、后两个内侧固定有金属板作为电极，污水充满管口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（单位时间内排出的污水体积），下列说法中正确的是 A. 若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高 B. 前表面的电势一定低于后表面的电势，与哪种离子多少无关 C. 污水中离子浓度越高，电压表的示数将越大 D. 污水流量 Q 与 U 成正比，与 a 、 b 无关 18. 经过回旋加速器加速后，带电粒子获得的动能 A. 与 D 形盒的半径无关 B. 与高频电源的电压无关 C. 与两 D 形盒间的缝隙宽度无关 D. 与匀强磁场的磁感应强度无关 19. 在图中虚线所示的区域存在匀强电场和匀强磁场。取坐标如图。一带电粒子沿 x 轴正方向进入此区域，在穿过此区域的过程中运动方向始终不发生偏转。不计重力的影响，电场强度 E 和磁感强度 B 的方向可能是 A. E 和 B 都沿 x 轴正方向 B. E 沿 y 轴正向，B 沿 z 轴正向 C. E 沿 x 轴正向，B 沿 y 轴正向 D. E 、 B 都沿 z 轴正向 20. 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. 该束带电粒子带负电 B. 速度选择器的 P1 极板带正电 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 qm 越小 21. 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，则离子的比荷一定相同 22. 图（甲）是回旋加速器的工作原理图，D1 和 D2 是两个中空的半圆金属盒，它们之间有一定的电势差，A 处的粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速。两半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，所以粒子在半圆盒中做匀速圆周运动。若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，不计带电粒子在电场中的加速时间，不考虑由相对论效应带来的影响，在 Ek−t 图中应该有 A. tn+1−tn=tn−tn−1 B. tn+1−tnUN .故选A.4. B5. C【解析】电子受电场力方向一定水平向左，所以需要受向右的洛伦兹力才能做匀速运动，根据左手定则进行判断可得电子应沿 y 轴正向运动。6. D7. D【解析】假设质量为 m 、带电荷量为 q 的粒子在质谱仪中运动，设粒子在匀强磁场中运动的速度为 v，粒子在加速电场中加速运动，由动能定理可得 Uq=12mv2，解得 v=2qUm；粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，则有 qvB=mv2R 、解得 R=mvqB=1B2Umq。因为离子和质子从同一出口离开磁场，所以它们在磁场中运动的半径相等，即 1B02Um质e=111B02Um离e，可得离子和质子的质量之比为 m离:m质=121:1，选项D正确，A、B、C错误。8. D【解析】粒子最后运动的最大半径相同都是 D 型盒的半径，根据公式：r=mvBq，最后获得的最大动能：Ek=12mv2=B2q2r22m，相同的粒子，相同的回旋加速器，所以最后初动能相同，又因为周期 T=2πmBq，旋转一周的时间相同，电压大加速的次数少，旋转的圈数少，所以时间短，D对。9. A【解析】如图 (a) 所示平面图，设磁场方向垂直于纸面向里。当外电路断开时，可导电流体在管中流动时，若导电粒子为正电荷，则受到向上的洛伦兹力作用而聚集于管道上侧，从而出现一个竖直向下的附加电场，阻止带电粒子的继续上移，当带电粒子受到的电场力与洛伦兹力平衡时出现稳定状态。由 qvB=qUc 得上、下两侧面间的电势差（即霍耳电压）为 U=Bvc，它相当于电源电动势，因此测量电路可等效成图 (b) 所示电路，图中电动势 E=U=vBc，电源内阻就是处于电磁流量计内的可导电流体的电阻，即 r=ρcab，接电流表时，流过电流表的电流 I=ER+r=Bvcρcab+R，所以 v=IBcρcab+R。由流量的定义，流量 Q=vS=vbc，得：Q=IBρca+Rb，故选A。10. D【解析】设粒子经电场加速后的速度为 v, 由动能定理，有 qU=12mv2，则粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径 R=mvqB=2mqUqB∝mq，由图知粒子 a 的轨迹半径 x12 小于粒子 b 的轨迹半径 x22，故 maqa