第4節(jié)質(zhì)譜儀與回旋加速器 能力提升練習(xí)（含答案）

PAGE第1頁(yè)，共1頁(yè)2021-2022學(xué)年人教版（2019）選擇性必修第二冊(cè)第一章第4節(jié)質(zhì)譜儀與回旋加速器能力提升練習(xí)一、單選題1．如圖所示,在兩水平金屬板構(gòu)成的器件中,存在勻強(qiáng)電場(chǎng)與勻強(qiáng)磁場(chǎng),電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B相互垂直,以某一水平速度進(jìn)入的不計(jì)重力的帶電粒子恰好能沿直線運(yùn)動(dòng),下列說法正確的是(

)A．粒子一定帶負(fù)電B．粒子的速度大小v=B/EC．若粒子速度大小改變,粒子將做曲線運(yùn)動(dòng)D．若粒子速度大小改變,電場(chǎng)對(duì)粒子的作用力會(huì)發(fā)生改變2．如圖所示為一速度選擇器，內(nèi)有一磁感應(yīng)強(qiáng)度B方向垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，一束正離子以速度v從左側(cè)水平射入，為使粒子流經(jīng)磁場(chǎng)時(shí)不偏轉(zhuǎn)（不計(jì)重力）則磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)必須同時(shí)存在一個(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng)，下列說法不正確的是（）A．該電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)大小為，方向向上B．離子沿直線勻速穿過該裝置的時(shí)間與場(chǎng)強(qiáng)無關(guān)C．負(fù)離子從右向左水平射入時(shí)，不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)D．負(fù)離子從左向右水平射入時(shí)，也不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)3．中核集團(tuán)研發(fā)的“超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器”，能夠?qū)①|(zhì)子加速至光速的。用如圖所示的回旋加速器加速粒子，兩D形金屬盒接高頻交流電極，使粒子通過兩D形金屬盒間的狹縫時(shí)得到加速，兩D形金屬盒處于方向垂直盒底的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，下列操作能使帶電粒子射出時(shí)的動(dòng)能增大的是（）A．增大D形金屬盒的半徑 B．減小D形金屬盒的半徑C．增大狹縫間的加速電壓 D．減小狹縫間的加速電壓4．質(zhì)譜儀是測(cè)帶電粒子質(zhì)量和分析同位素的一種儀器，它的工作原理是帶電粒子（不計(jì)重力）經(jīng)同一電場(chǎng)加速后垂直進(jìn)入同一勻強(qiáng)磁場(chǎng)做圓周運(yùn)動(dòng)，然后利用相關(guān)規(guī)律計(jì)算出帶電粒子的質(zhì)量。其工作原理如圖所示，虛線為某粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，由圖可知(

)A．此粒子帶負(fù)電B．下極板比上極板電勢(shì)高C．若只增大加速電壓，則半徑變大D．若只增大入射粒子的質(zhì)量，則半徑變小5．美國(guó)物理學(xué)家勞倫斯于1932年發(fā)明的回旋加速器，利用帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，使粒子在較小的空間范圍內(nèi)經(jīng)過電場(chǎng)的多次加速獲得較大的能量。如圖所示為一種改進(jìn)后的回旋加速器示意圖，其中盒縫間的加速電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大小恒定，且被限制在A、C板間，帶電粒子從P0處由靜止釋放，并沿電場(chǎng)線方向射入加速電場(chǎng)，經(jīng)加速后再進(jìn)入D形盒中的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。對(duì)于這種改進(jìn)后的回旋加速器，下列說法正確的是（）A．帶電粒子每運(yùn)動(dòng)半周被加速一次B．P1P2=P2P3C．粒子能獲得的最大速度與D形盒的尺寸有關(guān)D．A、C板間的加速電場(chǎng)的方向需要做周期性的變化6．質(zhì)譜儀可以測(cè)定有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有一種質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為如圖所示，有機(jī)物的氣體分子從樣品室注入離子化室，在高能電子作用下，樣品氣體分子離子化或碎裂成離子．若離子化后的離子帶正電，初速度為零，此后經(jīng)過高壓電源區(qū)、圓形磁場(chǎng)室（內(nèi)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)）、真空管，最后打在記錄儀上，通過處理就可以得到離子比荷（）進(jìn)而推測(cè)有機(jī)物的分子結(jié)構(gòu)．已知高壓電源的電壓為U，圓形磁場(chǎng)區(qū)的半徑為R，真空管與水平面夾角為θ，離子進(jìn)入磁場(chǎng)室時(shí)速度方向指向圓心．則下列說法正確的是A．高壓電源A端應(yīng)接電源的正極B．磁場(chǎng)室的磁場(chǎng)方向必須垂直紙面向里C．若離子化后的兩同位素X1、X2（X1質(zhì)量大于X2質(zhì)量）同時(shí)進(jìn)入磁場(chǎng)室后，出現(xiàn)圖中的軌跡Ⅰ和Ⅱ，則軌跡Ⅰ一定對(duì)應(yīng)X1D．若磁場(chǎng)室內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，當(dāng)記錄儀接收到一個(gè)明顯的信號(hào)時(shí)，與該信號(hào)對(duì)應(yīng)的離子比荷為7．如圖所示，由兩種比荷不同的離子組成的離子束，從靜止經(jīng)電場(chǎng)加速后，經(jīng)過由正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)組成的速度選擇器后，進(jìn)入另一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)中并分裂為A．B兩束。離子的重力不計(jì)，下列說法中正確的有（）A．兩束離子的加速電壓相同 B．組成A束和B束的離子質(zhì)量一定相同C．A束離子的比荷大于B束離子的比荷 D．A束離子的動(dòng)能大于B束離子的動(dòng)能8．回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電源兩極相連接的兩個(gè)D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成周期性變化的電場(chǎng)，使粒子在通過狹縫時(shí)都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示．設(shè)D形盒半徑為R．若用回旋加速器加速質(zhì)子時(shí)，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，高頻交流電頻率為f．則下列說法正確的是（

）

A．質(zhì)子被加速后的最大速度不可能超過πfRB．質(zhì)子被加速后的最大速度與加速電場(chǎng)的電壓大小無關(guān)C．只要R足夠大，質(zhì)子的速度可以被加速到任意值D．不改變B和f，該回旋加速器也能用于加速α粒子9．質(zhì)譜儀可測(cè)定同位素的組成。，現(xiàn)有一束一價(jià)的鉀39和鉀41離子經(jīng)電場(chǎng)加速后，沿著與磁場(chǎng)邊界垂直的方向進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示。測(cè)試時(shí)規(guī)定加速電壓大小為U0，但在實(shí)驗(yàn)過程中加速電壓有較小的波動(dòng)，可能偏大或偏小ΔU．為使鉀39和鉀41打在照相底片上的區(qū)域不重疊，不計(jì)離子的重力，則ΔU不得超過（

）A．0.1U0 B．0.01U0 C．0.02U0 D．0.025U010．質(zhì)譜儀的兩大重要組成部分是加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)．如圖3所示為質(zhì)譜儀的原理圖．設(shè)想有一個(gè)靜止的質(zhì)量為m、帶電荷量為q的帶電粒子(不計(jì)重力)，經(jīng)電壓為U的加速電場(chǎng)加速后垂直進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，帶電粒子打到底片上的P點(diǎn)，設(shè)OP＝x，則在圖4中能正確反映x與U之間的函數(shù)關(guān)系的是（）A．B．C．D．二、多選題11．如圖是一個(gè)回旋加速器示意圖，其核心部分是兩個(gè)D形金屬盒，兩金屬盒置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，并分別與高頻電源相連．現(xiàn)分別加速氘核()和氦核()，下列說法中正確的是(

)A．它們的最大速度相同B．它們的最大動(dòng)能相同C．兩次所接高頻電源的頻率相同D．僅增大高頻電源的頻率可增大粒子的最大動(dòng)能12．某種質(zhì)譜儀的工作原理示意圖如圖所示，此質(zhì)譜儀由以下幾部分構(gòu)成：粒子源S；M、N為加速電場(chǎng)；速度選擇器P、Q，其間是正交的勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)，強(qiáng)度分別為B1和E，磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里；磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2、方向垂直紙面向外的有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)；核乳膠片．由粒子源發(fā)出的初速度不計(jì)的不同帶電粒子α粒子、β粒子、質(zhì)子、正電子、氘核和氚核中的幾種，經(jīng)加速電場(chǎng)加速（不同粒子經(jīng)過加速電場(chǎng)時(shí)，其電場(chǎng)強(qiáng)度不一樣），經(jīng)過速度選擇器，進(jìn)入有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)B2，最終打在核乳膠片上，形成a、b、c三條質(zhì)譜線．則粒子源發(fā)出的粒子可能有（

）A．α粒子、β粒子、質(zhì)子 B．α粒子、質(zhì)子、氘核和氚核C．α粒子、質(zhì)子、氘核 D．α粒子、正電子、質(zhì)子和氚核13．回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電源兩極相連接的兩個(gè)D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成周期性變化的電場(chǎng)，使粒子在通過狹縫時(shí)都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示。設(shè)D形盒半徑為R，若用回旋加速器加速質(zhì)子時(shí)，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，高頻交流電頻率為f，則下列說法正確的是（）A．質(zhì)子被加速后的最大速度不可能超過B．質(zhì)子被加速后的最大速度與加速電場(chǎng)的電壓大小無關(guān)C．只要R足夠大，質(zhì)子的速度可以被加速到任意值D．不改變B和f，該回旋加速器也能用于加速α粒子14．關(guān)于洛倫茲力的應(yīng)用，下列說法正確的是（）A．圖甲是用來加速帶電粒子的回旋加速器的示意圖，要想粒子獲得的最大動(dòng)能增大，可增加電壓UB．圖乙是磁流體發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，可以判斷出A極板是發(fā)電機(jī)的負(fù)極，B極板是發(fā)電機(jī)的正極C．圖丙是速度選擇器，帶電粒子能夠沿直線勻速通過速度選擇器的條件是D．圖丁是質(zhì)譜儀的主要原理圖。其中在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)半徑最小的是15．1930年勞倫斯制成了世界上第一臺(tái)回旋加速器，其核心部分如圖所示．勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直D形盒底面，兩盒分別與交流電源相連．則下列說法中正確的是（）A．加速器的半徑越大，粒子射出時(shí)獲得的動(dòng)能越大B．粒子獲得的最大動(dòng)能由交變電源的電壓決定C．加速器中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)都可以使帶電粒子加速D．粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期與交變電壓的周期同步三、解答題16．某種回旋加速器的設(shè)計(jì)方案如圖甲所示，圖中粗黑線段為兩個(gè)正對(duì)的極板，兩個(gè)極板的板面中部各有一狹縫(沿OP方向的狹長(zhǎng)區(qū)域)，帶電粒子可通過狹縫穿越極板(如圖乙所示)，當(dāng)帶電粒子每次進(jìn)入兩極板間時(shí)，板間電勢(shì)差為U(下極板電勢(shì)高于上極板電勢(shì))，當(dāng)粒子離開兩極板后，極板間電勢(shì)差為零；兩細(xì)虛線間(除開兩極板之間的區(qū)域)既無電場(chǎng)也無磁場(chǎng)；其他部分存在勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直紙面．在離子源S中產(chǎn)生的質(zhì)量為m、電荷量為q(q>0)的離子，由靜止開始被電場(chǎng)加速，經(jīng)狹縫中的O點(diǎn)進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域，O點(diǎn)到極板右端的距離為D，到出射孔P的距離為4D，已知磁感應(yīng)強(qiáng)度大小可以調(diào)節(jié)，離子從離子源上方的O點(diǎn)射入磁場(chǎng)區(qū)域，最終只能從出射孔P射出，假設(shè)離子打到器壁或離子源外壁則即被吸收．忽略相對(duì)論效應(yīng)，不計(jì)離子重力，求：(1)離子從出射孔P射出時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度的最小值；(2)調(diào)節(jié)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小使B1=，計(jì)算離子從P點(diǎn)射出時(shí)的動(dòng)能．17．一臺(tái)質(zhì)譜儀的工作原理如圖所示。比荷分別為、的兩種帶電粒子從容器右側(cè)的狹縫飄入電勢(shì)差為的加速電場(chǎng)，其初速度幾乎為0，然后經(jīng)過狹縫沿著與磁場(chǎng)垂直的方向進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度為的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后打到底片上。已知帶電粒子從狹縫進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)與垂直磁場(chǎng)邊界方向存在一個(gè)很小的散射角，所有粒子均打在底片的區(qū)域內(nèi)。比荷為的粒子能打在底片上的最遠(yuǎn)點(diǎn)為，比荷為的粒子能打在底片上的最近點(diǎn)為，點(diǎn)、到狹縫的距離分別為、。若忽略帶電粒子的重力及相互間作用力，求：（1）兩種