暑假作業(yè)03 質(zhì)譜儀、回旋加速器等儀器（原卷版）-2025版高二物理暑假作業(yè)

限時練習(xí)：90min完成時間：月日天氣：作業(yè)03質(zhì)譜儀、回旋加速器等儀器一、質(zhì)譜儀1．構(gòu)造：主要構(gòu)件有加速電場、偏轉(zhuǎn)磁場和照相底片．2．運動過程(如圖)(1)加速：帶電粒子經(jīng)過電壓為U的加速電場加速，qU＝eq\f(1,2)mv2.由此可得v＝eq\r(\f(2qU,m)).(2)偏轉(zhuǎn)：垂直進入磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，做勻速圓周運動，r＝eq\f(mv,qB)，可得r＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2mU,q)).3．分析：從粒子打在底片D上的位置可以測出圓周的半徑r，進而可以算出粒子的比荷．4．應(yīng)用：可以測定帶電粒子的質(zhì)量和分析同位素．二、回旋加速器1.回旋加速器的構(gòu)造：兩個D形盒．兩D形盒接交流電源，D形盒處于垂直于D形盒的勻強磁場中，如圖．2．工作原理(1)電場的特點及作用特點：兩個D形盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化的電場．作用：帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被加速．(2)磁場的特點及作用特點：D形盒處于與盒面垂直的勻強磁場中．作用：帶電粒子在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，從而改變運動方向，半個圓周后再次進入電場．三、速度選擇器1．裝置及要求如圖，兩極板間存在勻強電場和勻強磁場，二者方向互相垂直，帶電粒子從左側(cè)平行于極板射入，不計粒子重力．2．帶電粒子能夠沿直線勻速通過速度選擇器的條件是qE＝qvB，即v＝eq\f(E,B).3．速度選擇器的特點(1)v的大小等于E與B的比值，即v＝eq\f(E,B).速度選擇器只對選擇的粒子的速度有要求，而對粒子的質(zhì)量、電荷量大小及帶電正、負無要求．(2)當(dāng)v＞eq\f(E,B)時，粒子向F洛方向偏轉(zhuǎn)，F(xiàn)電做負功，粒子的動能減小，電勢能增大．(3)當(dāng)v＜eq\f(E,B)時，粒子向F電方向偏轉(zhuǎn)，F(xiàn)電做正功，粒子的動能增大，電勢能減?。?4)速度選擇器只能單向選擇：若粒子從另一方向射入，則不能穿出速度選擇器．四、磁流體發(fā)電機磁流體發(fā)電機的發(fā)電原理圖如圖甲所示，其平面圖如圖乙所示．設(shè)帶電粒子的運動速度為v，帶電荷量為q，勻強磁場的磁感應(yīng)強度為B，極板間距離為d，極板間電壓為U，根據(jù)FB＝FE，有qvB＝qE＝eq\f(qU,d)，得U＝Bdv.根據(jù)外電路斷開時，電源電動勢的大小等于路端電壓，故此磁流體發(fā)電機的電動勢為E電源＝U＝Bdv.根據(jù)左手定則可判斷，正離子向M極板偏轉(zhuǎn)，M極板積聚正離子，電勢高，為發(fā)電機正極，N極板積聚負離子，電勢低，為發(fā)電機負極．五、電磁流量計如圖甲、乙所示是電磁流量計的示意圖．設(shè)管的直徑為D，磁感應(yīng)強度為B，a、b兩點間的電勢差是由于導(dǎo)電液體中電荷受到洛倫茲力作用，在管壁的上、下兩側(cè)堆積產(chǎn)生的．到一定程度后，a、b兩點間的電勢差達到穩(wěn)定值U，上、下兩側(cè)堆積的電荷不再增多，此時，洛倫茲力和靜電力平衡，有qvB＝qE＝qeq\f(U,D)，所以v＝eq\f(U,DB)，又圓管的橫截面積S＝eq\f(1,4)πD2，故流量Q＝Sv＝eq\f(πUD,4B).六、如圖所示，高度為h、厚度為d的導(dǎo)體板放在垂直于它且磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，當(dāng)電流通過導(dǎo)體板時，在導(dǎo)體板的上側(cè)面A和下側(cè)面A′之間會產(chǎn)生電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)．實驗表明，當(dāng)磁場不太強時，電勢差U、電流I和B的關(guān)系為U＝RHeq\f(IB,d)，式中的比例系數(shù)RH稱為霍爾系數(shù)．一、單選題1．一對平行金屬板中存在勻強電場和勻強磁場，其中電場的方向與金屬板垂直，磁場的方向與金屬板平行且垂直紙面向里，如圖所示。一質(zhì)子（）以速度自O(shè)點沿中軸線射入，恰沿中軸線做勻速直線運動。下列粒子分別自O(shè)點沿中軸線射入，能夠做勻速直線運動的是（）（所有粒子均不考慮重力的影響）A．以速度的射入的正電子B．以速度射入的電子C．以速度射入的核D．以速度射入的a粒子2．如圖所示是磁流體發(fā)電機的示意圖，兩平行金屬板A、B與電阻R和電流表相連，現(xiàn)將等離子體（即高溫下電離的氣體，含有大量正、負帶電粒子）噴入磁場，下列說法正確的是（）A．A板的電勢高于B板電勢 B．若只增大兩板間距離，電流表示數(shù)減小C．若只增大磁感應(yīng)強度，電流表示數(shù)減小 D．磁流體發(fā)電機的非靜電力為洛倫茲力3．如圖所示，厚度為h、寬度為d的導(dǎo)體板放在勻強磁場中，當(dāng)導(dǎo)體板通過一定電流I且電流與磁場方向垂直時，在導(dǎo)體板的上表面A和下表面之間會產(chǎn)生一定的電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。若圖中的電流I是電子定向運動產(chǎn)生的恒定電流，則（）A．與導(dǎo)體板的厚度h有關(guān)B．與導(dǎo)體板的寬度d有關(guān)C．導(dǎo)體板上表面A的電勢比下表面高D．若磁場和電流均反向，導(dǎo)體板上表面A的電勢比下表面高4．核廢水中包含了具有放射性的碘的同位素利用質(zhì)譜儀可分析碘的各種同位素。如圖所示，電荷量相同的和以相同的速度從O點進入速度選擇器（速度選擇器中的電場方向水平向右、磁場的磁感應(yīng)強度為）后，再進入偏轉(zhuǎn)磁場（磁感應(yīng)強度為），最后打在照相底片的c、d兩點，不計各種粒子受到的重力。下列說法正確的是（）A．垂直紙面向里，和在偏轉(zhuǎn)磁場中的軌道半徑之比為127∶131B．垂直紙面向里，和在偏轉(zhuǎn)磁場中的軌道半徑之比為C．垂直紙面向外，和在偏轉(zhuǎn)磁場中的軌道半徑之比為131∶127D．垂直紙面向外，和在偏轉(zhuǎn)磁場中的軌道半徑之比為二、多選題5．質(zhì)譜儀是科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中的重要工具。質(zhì)譜儀的工作原理示意圖如圖所示，粒子源S從小孔向下射出各種速度的氕核、氘核、氚核及氦核，粒子經(jīng)小孔進入速度選擇器后，只有速度合適的粒子才能沿直線經(jīng)過小孔，并垂直進入磁感應(yīng)強度大小為的偏轉(zhuǎn)磁場，感光底片PQ上僅出現(xiàn)了A、B、C三個光斑，光斑A到小孔的距離為2d。已知速度選擇器兩板間存在垂直紙面向里、磁感應(yīng)強度大小為的勻強磁場，兩板間距為d，板間電壓為U，下列說法正確的是（

）A．極板M帶負電荷 B．粒子在偏轉(zhuǎn)磁場中的速度大小為C．氦核的比荷為 D．相鄰兩光斑的距離均為6．回旋加速器兩個D形金屬盒和一高頻交流電源兩極相連，金屬盒半徑為R，電源電壓大小為U，兩盒間狹縫的間距為d，兩盒放在磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，磁場方向垂直于盒底面，粒子源置于盒的圓心附近。若粒子源射出的粒子電荷量為q，質(zhì)量為m，初速度為0，不考慮粒子在電場中的運動時間。則下列說法正確的是（

）A．所加高頻交流電源的頻率為B．粒子第二次與第一次在磁場中做圓周運動的半徑之比為C．粒子從粒子源射出至動能達到最大所需的時間為D．粒子從粒子源射出至離開回旋加速器在電場中走過的路程為7．以下裝置中都涉及到磁場的具體應(yīng)用，關(guān)于這些裝置的說法正確的是（）A．甲圖為回旋加速器，粒子的最大動能與加速電壓U的大小有關(guān)B．乙圖為磁流體發(fā)電機，可判斷出B極板比A極板電勢高C．丙圖為質(zhì)譜儀，打到照相底片D同一位置粒子的比荷相同D．丁圖為速度選擇器，特定速率的粒子從右側(cè)沿軸線進入后能做直線運動8．霍爾效應(yīng)是美國物理學(xué)家霍爾（E。H。Hall）于1879年發(fā)現(xiàn)的。其原理如圖所示，一塊長為a、寬為b、高為c的長方體金屬元件，單位體積內(nèi)自由電子數(shù)為n，導(dǎo)體的電阻率為，電子的電量大小為e，在導(dǎo)體的左右兩端加上恒定電壓U和方向垂直于上表面向下的勻強磁場，磁感應(yīng)強度為B，在導(dǎo)體前后表面之間產(chǎn)生穩(wěn)定的電勢差，稱為霍爾電壓。下列說法正確的是（）A．導(dǎo)體前表面的電勢低于后表面的電勢B．導(dǎo)體中電流的大小為C．導(dǎo)體中自由電荷定向移動平均速率大小為D．霍爾電壓的大小為9．某科研小組為了芯片的離子注入而設(shè)計了一種新型質(zhì)譜儀，裝置如圖所示。直邊界MO的上方有垂直紙面向外的勻強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B，其中以O(shè)點為圓心、半徑為R的半圓形區(qū)域內(nèi)無磁場，芯片的離子注入將在半圓形區(qū)域內(nèi)完成。離子源P放出的正離子經(jīng)加速電場加速后在紙面內(nèi)垂直于MO從M點進入磁場，加速電場的加速電壓U的大小可調(diào)節(jié)，已知M、O兩點間的距離為2R，離子的比荷為k，不計離子進入加速電場時的初速度及離子的重力和離子間的相互作用。下列說法正確的是（）A．若加速電壓，離子能進入半圓區(qū)域B．若加速電壓，所有離子均不能計入半圓區(qū)域C．若離子的運動軌跡剛好過O點，則該離子的速率為D．能進入到半圓形區(qū)域內(nèi)的離子在磁場中運動的最短時間為三、解答題10．如圖所示為某款質(zhì)譜儀的工作原理示意圖，此質(zhì)譜儀由以下幾部分構(gòu)成：離子源S、加速電場PQ，靜電分析器、偏轉(zhuǎn)磁場、記錄板，靜電分析器通道中心線的半徑為R，通道內(nèi)有均勻輻向的電場，中心線處的電場強度大小為E，記錄板MN緊靠靜電分析器水平放置，靜電分析器和記錄板下方分布著范圍足夠大的勻強磁場，離子源S可以發(fā)射初速度不計的正離子，已知該離子源發(fā)射的質(zhì)子經(jīng)過加速電場加速后進入靜電分析器，恰能沿靜電分析器中心線做勻速圓周運動，之后豎直向下飛入勻強磁場，最終水平偏轉(zhuǎn)距離d后打在記錄板上，設(shè)質(zhì)子的質(zhì)量為m，電荷量為q，求：（1）加速電場的電壓U；（2）勻強磁場的磁感應(yīng)強度大小B；（3）若勻強磁場區(qū)域磁感應(yīng)強度大小的波動范圍為，為使質(zhì)子與氘核打在記錄板上的位置不重合，ΔB的取值范圍。一、單選題1．如圖，一質(zhì)譜儀由加速電場、靜電分析器、磁分析器構(gòu)成。靜電分析器通道的圓弧中心線半徑為R，通道內(nèi)有均勻輻向電場，方向指向圓心O，中心線處各點的電場強度大小相等。磁分析器中分布著方向垂直于紙面的有界勻強磁場，邊界為矩形CNQD，，。質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子（不計重力），由靜止開始從A板經(jīng)電壓為U的電場加速后，沿中心線通過靜電分析器，再由P點垂直磁場邊界進入磁分析器，最終打在膠片ON上，則（）A．磁分析器中磁場方向垂直于紙面向外B．靜電分析器中心線處的電場強度C．僅改變粒子的比荷，粒子仍能打在膠片上的同一點D．要使粒子能到達NQ邊界，磁場磁感應(yīng)強度B的最小值為2．如圖所示為電磁流量計的示意圖，圓管是非磁性材料制成的，空間有一定寬度的勻強磁場，磁感應(yīng)強度為B，已知管的直徑為d，當(dāng)導(dǎo)電液體向左流過磁場區(qū)域，穩(wěn)定時測出管壁上M、N兩點間的電壓為U，管中液體的流量是單位時間內(nèi)流過管道橫截面的液體的體積。下列說法正確的是（）A．圖中M點的電勢高于N點的電勢B．磁場的寬度越大，M、N兩點間的電壓越大C．導(dǎo)電液體的濃度越大，M、N兩點間的電壓越大D．當(dāng)B、d一定時，通過圓管的流量與M、N間的電壓U成正比二、多選題3．如圖所示，將磁流體發(fā)電機和電容器用導(dǎo)線連接。磁流體發(fā)電機板間有方向垂直于紙面向里的勻強磁場，從磁場左側(cè)水平噴入大量速度為的等離子體。有一帶電粒子從電容器的中軸線上以速度射入電容器，恰好從下極板邊緣射出電容器，不計等離子體和帶電粒子的重力，下列說法正確的是（）A．該帶電粒子帶負電B．只減小帶電粒子的入射速度，帶電粒子將打在電容器的下極板上C．只增大等離子體的入射速度，帶電粒子將打在電容器的下極板上D．只改變單個等離子體的電量，帶電粒子不能從下極板邊緣射出4．如圖為某款新型電磁泵的簡易裝置圖。泵體是一個長、寬、高分別為、、的長方體，上下兩面M、N為金屬極板，當(dāng)與電源相連時會在兩極板間的導(dǎo)電液體中產(chǎn)生自上而下的恒定電流，泵體處于垂直紙面向外磁感應(yīng)強度為的勻強磁場中。導(dǎo)電液的電阻率為，密度為，重力加速度為，工作時泵體始終充滿液體，下列說法正確的是（）A．電磁泵穩(wěn)定工作時，磁場對導(dǎo)電液的作用力為B．導(dǎo)電液的流速穩(wěn)定為時，電源的輸出功率為C．該電磁泵中導(dǎo)電液流速與抽液高度的關(guān)系為D．該電磁泵的最大抽液高度為三、解答題5．回旋加速器是獲取高能粒子的重要工具，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)治療中?；匦铀倨鞯墓ぷ髟砣鐖D甲所示，真空中兩個相同的半圓形區(qū)域和的圓心分別為、，兩半圓形區(qū)域內(nèi)分布著方向垂直紙面向里的勻強磁場。兩區(qū)域間狹縫的寬度為，在狹縫間施加如圖乙所示的交變電壓，電壓值的大小為。時刻，在點由靜止釋放質(zhì)量為、電荷量為帶電粒子，粒子經(jīng)過狹縫的時間不能忽略，粒子在狹縫間的運動可視為勻變速直線運動，交變電壓的變