高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器复习练习题

1.4质谱仪与回旋加速器同步练习2021—2022学年高中物理人教版（2019）选择性必修第二册

一、选择题（共15题）

1．如图甲所示是回旋加速器的示意图，其核心部分是两个置于匀强磁场中的D形金属盒，两盒分别与高频电源相连．带电粒子在加速时，其动能Ek随时间t的变化规律如图乙所示，忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断正确的是（ ）

A．在Ek﹣t图象中应有（t4﹣t3）＜（t3﹣t2）＜（t2﹣t1）

B．高频电源的变化周期应该等于tn﹣tn﹣1

C．要想粒子获得的最大动能增大，可增加D形盒的半径

D．加速电场的电压越大，则粒子获得的最大动能一定越大

2．如图将金属导体放在沿x正方向的匀强磁场中，导体中通有沿y正方向的电流时，在导体的上下两侧面间会出现电势差，这个现象称为霍尔效应．关于金属导体上下两侧电势高低判断正确的是（ ）

A．上高下低 B．下高上低 C．上下一样 D．无法判断

3．关于物理科学家和他们的贡献，下列说法中错误的是

A．劳伦斯发明了回旋加速器

B．奥斯特发现电流磁效应

C．安培提出了分子电流假说

D．焦耳创造性地在电场中引入电场线

4．如图，一束正离子平行纸面、从两极板中央平行极板射入正交的匀强磁场和匀强电场区域里，离子束保持原运动方向未发生偏转，接着进入另一匀强磁场B2，发现这些离于分成几束，不计离子间的相互作用，可以判断这几束粒子（　　）

A．质量一定不同 B．速率一定不同

C．动能一定不同 D．比荷一定不同

5．如图所示为质谱仪的原理示意图，现让某束离子（可能含有多种离子）从容器A下方的小孔无初速度飘入电势差为U的加速电场。经电场加速后垂直进入磁感应强度大小为B的匀强磁场中，在核乳胶片上形成a、b两条“质谱线”，则下列判断正确的是（　　）

A．a、b谱线的对应离子均带负电 B．a谱线的对应离子的质量较大

C．b谱线的对应离子的质量较大 D．a谱线的对应离子的比荷较大

6．为监测某化工厂的含有离子的污水排放情况，技术人员在排污管中安装了监测装置，该装置的核心部分是一个用绝缘材料制成的空腔，其宽和高分别为b和c，左、右两端开口与排污管相连，如图所示，在垂直于上、下底面方向加磁感应强度大小为B的匀强磁场，在空腔前、后两个侧面上各有长为a的相互平行且正对的电极M和N，M、N与内阻为R的电流表相连，污水从左向右流经该装置时，电流表将显示出污水排放情况，下列说法中错误的是（　　）

A．M板比N板电势低

B．污水中离子浓度越高，则电流表的示数越小

C．污水流量越大，则电流表的示数越大

D．若只增大所加磁场的磁感应强度，则电流表的示数也增大

7．如图1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，回旋加速器是利用较低电压的高频电源使粒子经多次加速获得巨大速度的一种仪器，工作原理如图2，下列说法正确的是(　　)

A．粒子由A0运动到A1比粒子由A2运动到A3所用时间要少

B．粒子的能量由电场提供

C．在D形盒半径和磁感应强度一定的情况下，同一粒子获得的动能与交流电源电压有关

D．为达到同步加速的目的，高频电源的电压变化频率应为被加速粒子在磁场中做圆周运动频率的二倍

8．如图所示，在实验室做探究实验的小明，将厚度为d，上表面为边长为a的正方形导体置于磁感应强度为B的匀强磁场中，用导线与内阻不可忽略的干电池相连组成闭合电路（如甲图）；小明将该导体做了简单加工，保持该导体的厚度d不变，上表面缩减为边长为b的正方形，再将其接入原来的电路（如图乙），不考虑电阻率随温度的变化，则下列说法正确的是（　　）

A．甲图中的导体下上两个表面的电势差小于乙图中导体下上两个表面的电势差

B．甲图中的电流表示数小于乙图中的电流表示数

C．甲图中的电压表示数大于乙图中的电压表示数

D．甲图中导体内自由电荷定向移动的速率大于乙图中自由电荷定向移动的速率

9．如图所示，一带电粒子从平行带电金属板左侧中点垂直于电场线以速度v0射入电场中，恰好能从下板边缘以速度v1飞出电场。若其它条件不变，在两板间加入垂直于纸面向里的匀强磁场，该带电粒子恰能从上板边缘以速度v2射出。不计重力，则（　　）

A．2v0=v1+v2 B． C． D．v0＜v1=v2

10．如图甲所示，水平传送带足够长，沿顺时针方向匀速运动，某绝缘带电物块无初速度的从最左端放上传送带。该装置处于垂直纸面向外的匀强磁场中，物块运动的v-t图象如图乙所示。物块带电量保持不变，下列说法正确的是（　　）

A．物块带正电  

B．1s后物块与传送带共速，所以传送带的速度为0.5m/s

C．传送带的速度可能比0.5m/s大

D．若增大传送带的速度，其它条件不变，则物体最终达到的最大速度也会增大

11．如图所示为磁流体发电机的发电原理：将一束等离子体（高温下电离的气体，含有大量带正电和负电的微粒）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，等离子体充满两板间的空间。当发电机稳定发电时，理想电流表的示数为I，那么板间等离子体的电阻率为（　　）

A． B． C． D．

12．绝缘光滑斜面与水平面成角，一质量为m、电荷量为－q的小球从斜面上高h处，以初速度为切方向与斜面底边MN平行射入；如图所示，整个装置处在磁感应强度大小为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于MN且平行于斜面向上。已知斜面足够大，小球能够沿斜面到达底边MN。则下列判断错误的是（　　）

A．小球在斜面上做匀变速曲线运动

B．小球到达底边MN的时间

C．匀强磁场磁感应强度的取值范围为0<B≤

D．小球所受洛伦兹力逐渐变大

13．如图所示，一绝缘光滑半圆环轨道放在竖直向下的匀强电场中，场强为。在与环心等高处放有一质量为、带电的小球，由静止开始沿轨道运动，下述说法正确的是（　　）

A．小球在运动过程中机械能守恒

B．小球经过环的最低点时处于平衡状态

C．小球经过环的最低点时对轨道压力为

D．小球经过环的最低点时对轨道压力为

14．如图所示为回旋加速器的示意图，两个靠得很近的D形金属盒处在与盒面垂直的匀强磁场中，一质子从加速器的A处开始加速。已知D形盒的半径为R，磁场的磁感应强度为B，高频交变电源的电压为U、频率为f，质子质量为m、电荷量为q，下列说法正确的是（　　）

A．质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比

B．质子在D1盒中做匀速圆周运动的最小3个半圆的半径之比为

C．若忽略在电场中的运动时间，质子在回旋加速器中的运动时间为

D．若不改变磁感应强度B和交变电源频率f，该回旋加速器也能加速质量为3m，电荷量为q的氚核

15．如图所示，相距为的两平行金属板水平放置，开始开关S1和S2均闭合使平行板电容器带电，板间存在垂直纸面向里的匀强磁场．一个带电粒子恰能以水平速度向右匀速通过两板间．在以下方法中，有可能使带电粒子仍能匀速通过两板的是(不考虑带电粒子所受重力)

A．保持S1和S2均闭合，减小两板间距离，同时减小粒子射入的速率

B．保持S1和S2均闭合，将R1、R3均调大一些，同时减小板间的磁感应强度

C．把开关S2断开，增大两板间的距离，同时减小板间的磁感应强度

D．把开关S1断开，增大板间的磁感应强度，同时减小粒子入射的速率

二、填空题（共4题）

16．如图所示是质谱仪的工作原理示意图，带电粒子通过平行板间匀强电场时做______（选填“匀速”“加速”或“圆周”）运动．带电粒子通过匀强磁场时做_____（选填“匀速”“加速”或“圆周”）运动

17．一长方形金属块放在匀强磁场中，今将金属块（M为上表面，N为下表面）通以如图所示的电流，则MN两极的电势高低情况是&#xF06A;M__________&#xF06A;N（填“大于”、“等于”或“小于”）。

18．磁泵是应用磁力来输送导电液体（如液态金属、血浆等）的装置，它不需要机械活动组件。图是电磁泵输送导电液体原理的示意图，绝缘管道的横截面的边长的正方形，导电液体在管中缓慢流动，在管道中取长为的部分，将它的上、下管壁做成可以导电的导体，通过电流I，并在垂直于管道和电流的方向加一个横向磁场，磁感强度为，要在管道中产生的压强，推动导电液体流动，则导电液体的流动的方向为___，电流___A。

19．如图所示，在一矩形半导体薄片的P、Q间通入电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，在M、N间出现电压UH，这个现象称为霍尔效应，UH称为霍尔电压，且满足，式中d为薄片的厚度，k为霍尔系数．某同学通过实验来测定该半导体薄片的霍尔系数．

①若该半导体材料是空穴（可视为带正电粒子）导电，电流与磁场方向如图丙所示，该同学用电压表测量UH时，应将电压表的“+”接线柱与_________(填“M”或“N”)端通过导线相连．

②已知薄片厚度d=0.40mm，该同学保持磁感应强度B=0.10T   不 变，改变电流I的大小，测量相应的UH值，记录数据如下表所示．根据表中数据在给定区域内补漏的点并画出UH—I图线_________，利用图线求出该材料的霍尔系数为:_______________×10-3V•m•A-1•T-1（保留2位有效数字）．

三、综合题（共4题）

20．如图所示，两平行金属板P、Q竖直放置，两极板间的电压为U．放在P板附近的离子源释放出质量为m，带电量为-q的离子，离子经加速电场加速后垂直磁场边界从A点进入一个匀强磁场，磁场左右边界平行，距离为．该磁场的磁感应强度为B，方向垂直纸面向里．不计离子的重力．

（1）认为离子飘入加速电场时的速度很小，近似为零，求粒子从A点进入磁场的速度v；

（2）若离子刚好从D点离开磁场，且离开磁场时，向下偏移的距离，则粒子在磁场中的运动时间为多少？

（3）若加速电压U和磁场的磁感应强度B均可调，欲使粒子不能从右边界射出，应如何调节U和B？

21．如图所示，一质量为m、电荷量为q的带正电的小球以水平初速度v0从离地高为h的地方做平抛运动，落地点为N，不计空气阻力，求：

（1）若在空间加一个竖直方向的匀强电场，使小球沿水平方向做匀速直线运动，则场强E为多大？

（2）若在空间再加上一个垂直于纸面向外的匀强磁场，小球的落地点仍为N，则磁感应强度B为多大？

22．如图所示，在坐标系xOy平面内，区域xOO1a中存在与x轴正方向成60°斜向上的匀强电场，电场强度大小为E1(未知)，区域aO1bc内存在一个边界与y轴平行的矩形匀强磁场(图中没画出)区域，方向垂直纸面向里，y轴左侧存在竖直向下的匀强电场，电场强度大小E2= ．一质量为m、电荷量为q的带正电粒子从x轴上距O1a点的A点沿y轴右侧的电场方向以初速度v0射入，粒子刚射入磁场时速度为2v0，粒子经磁场偏转后恰好从b点垂直y轴进入y轴左侧匀强电场，最后击中x轴上的C点，已知OO1= O1b=d，O1a、bc均与x轴平行，粒子重力不计．

(1)求y轴右侧匀强电场的电场强度E1的大小

(2)求匀强磁场磁感应强度B的大小及矩形匀强磁场区域的最小面积．

(3)求粒子在y轴右侧和左侧电场中的电势能分别变化多少．

(4)求粒子从A点运动到C点过程所用的时间．

23．如图所示，在直角坐标系xOy内的x轴上方有沿y轴方向且范围足够大的匀强电场（图中未画出），在第四象限有垂直于坐标平面向外的匀强磁场，在y轴上的A点以大小为v0的初速度沿x轴正方向射出一个质量为m、电荷量为q的带正电粒子，该粒子经x轴上的P点第一次进入第四象限内的磁场。已知P点的坐标为（l，0），粒子射入磁场的速度与x轴夹角θ=37°，不计粒子重力，取sin37°=0.6，cos37°=0.8。

（1）求x轴上方的电场强度的大小和方向；

（2）若粒子经磁场偏转后不穿过y轴仍能回到x轴上方的电场，求第四象限内磁场的磁感应强度应满足的条件。

参考答案：

1．C

2．A

3．D

4．D

5．D

6．B

7．B

8．A

9．B

10．C

11．A

12．D

13．C

14．B

15．B

16．     　加速　 ，　     圆周

17．小于

18．     沿管道向右     8

19．     M          1.5

20．（1） ；（2）；（3）B增大，U减小.

21．（1）（2）

22．(1) （2）   （3） ； ；(4)

23．（1），沿轴负方向；（2）