高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册第一章 安培力与洛伦兹力4 质谱仪与回旋加速器课后练习题

2021-2022学年人教版（2019）选择性必修第二册第一章第4节质谱仪与回旋加速器

过 关 演 练 练习题（一）

一、单选题

1． 中核集团研发的“超导质子回旋加速器”，能够将质子加速至光速的。用如图所示的回旋加速器加速粒子，两D形金属盒接高频交流电极，使粒子通过两D形金属盒间的狭缝时得到加速，两D形金属盒处于方向垂直盒底的匀强磁场中，下列操作能使带电粒子射出时的动能增大的是（     ）

A．增大D形金属盒的半径 B．减小D形金属盒的半径

C．增大狭缝间的加速电压 D．减小狭缝间的加速电压

2． 如图一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，两盒分别与高频电源相连.带电粒子在磁场中运动的动能随时间的变化规律如图二所示忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断中正确的是（       ）

A．在图像中应有

B．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

3． 现代质谱仪可用来分析比质子重很多的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定．质子在入口处从静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的6倍．此离子和质子的质量比约为 　

A．3 B．9 C．18 D．36

4． 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，下列说法正确的是

A．离子从磁场中获得能量

B．电场的周期随粒子速度增大而增大

C．离子由加速器的中心附近进入加速器

D．当磁场和电场确定时，这台加速器仅能加速电量相同的离子

5． 如图所示，水平放置的两块平行金属板，充电后与电源断开。金属板间存在着方向竖直向下的匀强电场和垂直于纸面向里磁感应强度为的匀强磁场。一质量为、电荷量为的带电粒子（不计重力及空气阻力），以水平速度射入场区，恰好做匀速直线运动。则（     ）

A．粒子一定带正电

B．若撤去电场，粒子在板间运动的最长时间可能是

C．若仅将板间距离变为原来的2倍，粒子运动轨迹偏向下极板

D．若有空气阻力，且阻力大小不变，则粒子作匀减速直线运动

6． 质谱仪的两大重要组成部分是加速电场和偏转磁场．如图3所示为质谱仪的原理图．设想有一个静止的质量为m、带电荷量为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，带电粒子打到底片上的P点，设OP＝x，则在图4中能正确反映x与U之间的函数关系的是（     ）

A．

B．

C．

D．

7． 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，沿着与磁场边界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ΔU．为使钾 39 和钾 41 打在照相底片上的区域不重叠，不计离子的重力，则ΔU 不得超过（   ）

A．0.1U0 B．0.01U0 C．0.02 U0 D．0.025 U0

8． 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．电量和质量 B．质量和动能 C．速度和比荷 D．速度和质量

9． 1932年物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，巧妙地解决了粒子的加速问题。加速器的核心部分是两个D形金属盒，两盒相距很近，分别和高频交流电源相连接，两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，现使氦核由加速器的中心附近进入加速器，加速后通过特殊装置被引出。下列说法正确的是（     ）

A．粒子运动轨道的间距由里向外逐渐均匀减小

B．若仅增大加速电压，粒子在加速器中运动的总时间将减小

C．粒子能够获得的最大动能随加速电压大小的变化而变化

D．若增大磁感应强度且同时减小交流电的频率，粒子也能被加速

10．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m甲=m乙<m丙=m丁，v甲<v乙=v丙<v丁，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．甲、乙、丙、丁

B．甲、乙、丁、丙

C．甲、丁、丙、乙

D．甲、丁、乙、丙

二、多选题

11．如图所示是回旋加速器示意图，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（）。已知氘核的质量、电量均是氦核的2倍。下列说法中正确的有（     ）

A．它们的最大速度相同

B．它们的最大动能相同

C．两次所接电源的频率相同

D．仅增大电源的电压可增大粒子的最大动能

12．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的磁感应强度和匀强电场的场强分别为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

D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小

13．1930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，下列说法正确的是（     ）

A．带电粒子由加速器的中心附近进入加速器

B．带电粒子由加速器的边缘进入加速器

C．电场使带电粒子加速，磁场使带电粒子旋转

D．离子从D形盒射出时的动能与加速电场的电压无关

14．回旋加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，D1、D2上加有垂直于表面的磁场，D1、D2间的空隙内加有交变电场，下列说法正确的是（     ）

A．带电粒子从回旋加速器的电场中获得能量

B．回旋加速器中的电场和磁场交替对带电粒子做功

C．带电粒子获得的最大速度与加速器的半径有关

D．带电粒子获得的最大速度与所加磁场的强弱无关

15．如图甲所示，回旋加速器利用高频交流电源使粒子每隔一定的时间加速一次，经过多次加速粒子可以达到很大的速度。如图乙所示，在D形盒的圆心S处有一正离子源，它发出的正离子经盒缝电压加速后，进入D形盒中，在磁场力的作用下运动半周，再经盒缝电压加速，如此周而复始，最后到达D形盒的边缘，获得最大速度，由导出装置导出。已知正离子的电荷量为q，质量为m，加速时电极间电压大小为U，磁场的磁感应强度为B，D形盒的半径为R。每次加速的时间很短，可以忽略不计。若正离子从离子源出发时的初速度为零，则（     ）

A．正离子在磁场中运动的周期为

B．加速电场的周期在不断改变

C．正离子能够获得的最大动能为

D．整个过程中正离子被加速的次数为

三、解答题

16．如图所示，在xOy平面的第Ⅰ、Ⅳ象限内存在电场强度大小、方向沿x轴正方向的匀强电场；在第Ⅱ、Ⅲ象限内存在磁感应强度大小，方向垂直xOy平面向里的匀强磁场。一个比荷的带负电粒子在x轴上横坐标处的P点以的初速度沿y轴正方向开始运动，不计带电粒子所受的重力。求：

(1)带电粒子开始运动后第一次通过y轴时距O点的距离；

(2)带电粒子从进入磁场到第一次返回电场所用的时间；

(3)带电粒子运动的周期t。

17．质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具，由速度选择器和磁分析器组成，其原理示意图如图所示。由电荷量均为q、质量不同的三种粒子组成的粒子束以速度v沿图示方向射入速度选择器，该粒子束沿直线穿过底板上的小孔O进入偏转磁场，最终三种粒子分别打在底板MN上的P1、P2、P3三点。已知速度选择器中磁场的磁感应强度大小为B1，磁分析器中磁场的磁感应强度大小为B2，方向均垂直纸面向里，不计粒子的重力及粒子间的相互作用力。

（1）求三种粒子的带电性质及速度选择器中匀强电场的电场强度大小和方向；

（2）如果打在P1、P3两点的粒子的质量差为，求P1、P3两点的间距。

2021-2022学年人教版（2019）选择性必修第二册第一章第4节质谱仪与回旋加速器（参考答案）

一、单选题

二、多选题

三、解答题

16．(1)；(2)；(3)

17．（1）；（2）