1.4质谱仪与回旋加速器能力提升——2021-2022学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册（word含答案）
文档属性
| 名称 | 1.4质谱仪与回旋加速器能力提升——2021-2022学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册（word含答案） |  | |
| 格式 | docx | ||
| 文件大小 | 462.4KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2021-11-04 20:23:22 | ||
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文档简介
能力提升——质谱仪与回旋加速器
一、单选题（共7题，每题5分，共35分）
1．笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件。当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作：当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态。如图所示，一块宽为a、长为c矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子，通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为v。当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向下的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压U，以此控制屏幕的熄灭。则元件的（ ）
A．前表面的电势比后表面的低
B．前、后表面间的电压U与v无关
C．当电流增大时，前、后表面间的电压不变
D．自由电子受到的洛伦兹力大小为
2．如图所示为一种改进后的回旋加速器示意图，其中盒缝间的加速电场场强恒定，且被限制在A、C板间，带电粒子从处以速度沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D型盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，运动轨迹如图所示。、、为带电粒子轨迹与延长线的交点。对于这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是（ ）
A．带电粒子每运动一周被加速两次
B．D形盒中的磁场方向垂直纸面向外
C．粒子每运动一周直径的增加量越来越小
D．加速电场方向需要做周期性变化
3．如图所示，下端封闭、上端开口、内壁光滑的细玻璃管竖直放置，管子底部有一带电小球。整个装置以水平向右的速度匀速运动，垂直于磁场方向进入方向水平的匀强磁场，由于外力的作用，玻璃管在磁场中的速度保持不变，最终小球从上端口飞出，小球的电荷量始终保持不变，则小球从玻璃管进入磁场至飞出上端口的过程中（ ）
A．小球运动轨迹是一段圆弧 B．小球运动轨迹是抛物线
C．洛仑兹力对小球做正功 D．管壁的弹力对小球做负功
4．氕、氘、氚的电荷数相同，质量之比为1：2：3，它们由静止经过相同的加速电压加速，之后垂直进入同一匀强磁场，不计重力和它们间的相互作用，则（ ）
A．运动半径之比为∶∶1 B．运动半径之比为3：2：1
C．运动周期之比为1：2：3 D．运动周期之比为3：2：1
5．关于回旋加速器在实际中的应用，下列说法不正确的是（ ）
A．电场的变化周期等于带电粒子在磁场中的运动周期
B．带电粒子每经过D形盒的缝隙一次就加速一次，加速后在磁场中做匀速圆周运动的周期不变
C．带电粒子经过回旋加速器加速，能量不能无限增大
D．带电粒子的最大动能仅与带电粒子本身和D形盒半径有关
6．如图，长直导线水平固定放置，通有向右的恒定电流，绝缘细线一端系于导线上的点，另一端系一个带电小球，细线拉直，第一次让小球在A点由静止释放，让小球绕点沿圆1在竖直面内做圆周运动；第二次让小球在点由静止释放，让小球绕点沿圆2在竖直面内做圆周运动。圆1与直导线在同一竖直面内，圆2与直导线垂直，A、两点高度相同，不计空气阻力，则两次小球运动到最低点时（ ）
A．速度大小相等，线的拉力相等 B．速度大小不等，线的拉力相等
C．速度大小相等，线的拉力不等 D．速度大小不等，线的拉力不等
7．2020年新冠肺炎爆发后，我国P4实验室为研制新冠疫苗做出了重大贡献。为了无损测量生物实验废弃液体的流量，常用到一种电磁流量计，其原理可以简化为如图所示模型：废液内含有大量正、负离子，从直径为d的圆柱形容器右侧流入，左侧流出。流量值Q等于单位时间通过横截面液体的体积。空间有垂直纸面向里的磁感应强度为B的匀强磁场，若M、N两点间的电压为U。下列说法正确的是（ ）
A．M点的电势高于N点的电势
B．排放废液的流速为
C．排放废液的流量为
D．若废液中正、负离子的浓度增大，M、N间的电势差会增大
二、多选题（共5题，每题5分，共25分）
8．磁流体发电的原理如图所示，将一束速度为v的等离子体垂直于磁场方向喷入磁感应强度为B的匀强磁场中，在面积为S、间距为d的两平行金属板a、b间产生电动势。将其上下极板与阻值为R的定值电阻和电容为C的平行板电容器相连，间距为L的电容器极板间有一带电微粒处于静止状态，不计其他电阻，重力加速度大小为g。下列说法正确的是（ ）
A．平行金属板a极板比b极板电势低
B．磁流体发电机的电动势为
C．电容器所带的电荷量为
D．微粒的比荷
9．一块横截面为矩形的金属导体的宽度为，厚度为，将导体置于一磁感应强度为的匀强磁场中，磁感应强度的方向垂直于侧面，如图所示。当在导体中通以图示方向的电流时，在导体的上下表面间用电压表测得的电压为，已知自由电子的电量为，则下列判断正确的是（ ）
A．导体内自由电子只受洛伦兹力作用
B．用电压表测时，电压表的“”接线柱接下表面
C．金属导体的厚度越大，越小
D．该导体单位体积内的自由电子数为
10．在两平行金属板间，有如图所示的互相正交的匀强电场和匀强磁场。α粒子以速度从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入时，恰好能沿直线匀速通过。则下列说法正确的是（ ）
A．若质子以速度从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入时，质子将不偏转
B．若电子以速度从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入时，电子将向下偏转
C．若质子以大于的速度，沿垂直于电场方向和磁场方向从两板正中央射入时，质子将向上偏转
D．若增大匀强磁场的磁感应强度，其他条件不变，电子以速度沿垂直于电场和磁场的方向，从两板正中央射入时，电子将向下偏转
11．如图所示，空间有竖直方向的匀强电场（场强大小未知）和垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为，竖直面内有一固定的光滑绝缘圆环，环上套有一带负电的小球，小球质量为，电荷量为，重力加速度大小为，现给小球一个大小为的初速度，小球恰好能沿光滑圆环做匀速圆周运动，则下列说法正确的是（ ）
A．电场方向向上，场强大小为
B．小球对圆环的作用力大小可能为
C．小球对圆环的作用力大小可能为
D．小球对圆环的作用力大小可能为
12．如图，一带电塑料小球质量为m，用丝线悬挂于O点，并在竖直平面内摆动，最大摆角为60°，水平磁场垂直于小球摆动的平面。当小球自左方摆到最低点时，悬线上的张力恰为零，则小球自右方最大摆角处摆到最低点处时，下列说法正确的是（ ）
A．小球可能带负电
B．悬线上的张力也为0
C．悬线上的张力为4mg
D．小球动能与自左方摆到最低点时动能相同
三、解答题（共4题，每题10分，共40分）
13．如图所示，在足够大的直角坐标系第Ⅰ象限内存在沿轴正方向、电场强度大小为的匀强电场，在轴下方存在方向垂直纸面向里的匀强磁场。一质量为、电荷量为的带负电粒子从轴上坐标为的点处沿轴正方向射入电场，粒子从轴上的点（图中未画出）进入磁场时的速度方向与轴正方向间的夹角，一段时间后恰好经过坐标原点。不计粒子受到的重力。求：
（1）粒子在点的初速度大小；
（2）、两点间的距离；
（3）磁场的磁感应强度大小以及粒子从点运动到点的时间。
14．如图，空间中存在着如图所示的电场和磁场，一带电粒子从y轴上的M（0， L）点沿x轴正方向以初速度v0射入电场，运动一段时间后从x轴上的N点（图中未标出）进入磁场，进入磁场时的动能为初动能的2倍。已知电场强度E和磁感应强度B的比值，不计粒子的重力。求：
（1）N点的坐标；
（2）粒子在磁场中运动时与入射点M的最大距离；
（3）粒子从M点射出到再-次经过y轴正半轴所用的时间。
15．如图所示，空间有一直角坐标系，其第Ⅰ象限存在沿y轴正方向的电场强度为的匀强电场、第Ⅳ象限内存在垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度。有一带负电粒子从y轴上的P点（）以某一初速度平行于x轴正方向射出，已知带电粒子质量，电荷量。在x轴下方有一平行于y轴的挡板（足够长），M点处于x轴上，其坐标为，不计带电粒子的重力和电场和磁场的边界效应。求：
（1）带电粒子第一次经过x轴的坐标；
（2）带电粒子从P点出发到返回y轴所需的时间t；
（3）若第Ⅰ象限的电场强度E受控于带电粒子从P点发射的初速度，即始终有：（磁感应强度B不变），要使带电粒子能击中挡板左侧，求出粒子发射初速度的范围。
16．图甲是该装置的左视图，ab是水平放置很短的光滑玻璃管，紧靠玻璃管的两端有竖直金属板、，两板间有方向向右的电场，ab管的中轴线与水平放置的金属板、的中心线重合，板长为，板的高度差，紧邻的右端PQ、KH间存在方向水平向里的匀强磁场，其水平间距为，整个装置放在抽成真空密闭的有机玻璃箱中。其中有一个带电量为、质量为m的红色小球（红色小球的直径略小于管的直径）由静止从玻璃管最左端发出（球经ab玻璃管时间极短），重力加速度为g。求：
（1）小球恰好从点射入磁场，、间的电压U为多大？
（2）欲使小球从点射入磁场后做匀速圆周运动，需在PQ、KH间加以竖直方向的匀强电场，求此匀强电场场强E的大小和方向，以及小球不从KH射出磁场时磁感应强度B的取值范围；
（3）假设在、板间也加入（2）中的匀强电场，PQ、KH间匀强磁场的磁感应强度为，在、间加上如图乙所示，电压在间周期性变化的电场，玻璃管最左端有无穷多个带电量为、质量为m的红色小球从a点由静止连续出发，小球不会穿过边界KH，则在PQ、KH区域可以看到一个弯曲的“红色喷泉”，则“红色喷泉”的面积S是多少？
参考答案
1．D
2．C
3．B
4．C
5．D
6．C
7．C
8．ACD
9．BD
10．ACD
11．BCD
12．CD
13．（1） ；（2）；（3），
14．（1）；（2）；（3）
15．（1）；（2）；（3）
16．（1）；（2），方向竖直向上，；（3）
一、单选题（共7题，每题5分，共35分）
1．笔记本电脑机身和显示屏对应部位分别有磁体和霍尔元件。当显示屏开启时磁体远离霍尔元件，电脑正常工作：当显示屏闭合时磁体靠近霍尔元件，屏幕熄灭，电脑进入休眠状态。如图所示，一块宽为a、长为c矩形半导体霍尔元件，元件内的导电粒子是电荷量为e的自由电子，通入方向向右的电流时，电子的定向移动速度为v。当显示屏闭合时元件处于垂直于上表面、方向向下的匀强磁场中，于是元件的前、后表面间出现电压U，以此控制屏幕的熄灭。则元件的（ ）
A．前表面的电势比后表面的低
B．前、后表面间的电压U与v无关
C．当电流增大时，前、后表面间的电压不变
D．自由电子受到的洛伦兹力大小为
2．如图所示为一种改进后的回旋加速器示意图，其中盒缝间的加速电场场强恒定，且被限制在A、C板间，带电粒子从处以速度沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D型盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，运动轨迹如图所示。、、为带电粒子轨迹与延长线的交点。对于这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是（ ）
A．带电粒子每运动一周被加速两次
B．D形盒中的磁场方向垂直纸面向外
C．粒子每运动一周直径的增加量越来越小
D．加速电场方向需要做周期性变化
3．如图所示，下端封闭、上端开口、内壁光滑的细玻璃管竖直放置，管子底部有一带电小球。整个装置以水平向右的速度匀速运动，垂直于磁场方向进入方向水平的匀强磁场，由于外力的作用，玻璃管在磁场中的速度保持不变，最终小球从上端口飞出，小球的电荷量始终保持不变，则小球从玻璃管进入磁场至飞出上端口的过程中（ ）
A．小球运动轨迹是一段圆弧 B．小球运动轨迹是抛物线
C．洛仑兹力对小球做正功 D．管壁的弹力对小球做负功
4．氕、氘、氚的电荷数相同，质量之比为1：2：3，它们由静止经过相同的加速电压加速，之后垂直进入同一匀强磁场，不计重力和它们间的相互作用，则（ ）
A．运动半径之比为∶∶1 B．运动半径之比为3：2：1
C．运动周期之比为1：2：3 D．运动周期之比为3：2：1
5．关于回旋加速器在实际中的应用，下列说法不正确的是（ ）
A．电场的变化周期等于带电粒子在磁场中的运动周期
B．带电粒子每经过D形盒的缝隙一次就加速一次，加速后在磁场中做匀速圆周运动的周期不变
C．带电粒子经过回旋加速器加速，能量不能无限增大
D．带电粒子的最大动能仅与带电粒子本身和D形盒半径有关
6．如图，长直导线水平固定放置，通有向右的恒定电流，绝缘细线一端系于导线上的点，另一端系一个带电小球，细线拉直，第一次让小球在A点由静止释放，让小球绕点沿圆1在竖直面内做圆周运动；第二次让小球在点由静止释放，让小球绕点沿圆2在竖直面内做圆周运动。圆1与直导线在同一竖直面内，圆2与直导线垂直，A、两点高度相同，不计空气阻力，则两次小球运动到最低点时（ ）
A．速度大小相等，线的拉力相等 B．速度大小不等，线的拉力相等
C．速度大小相等，线的拉力不等 D．速度大小不等，线的拉力不等
7．2020年新冠肺炎爆发后，我国P4实验室为研制新冠疫苗做出了重大贡献。为了无损测量生物实验废弃液体的流量，常用到一种电磁流量计，其原理可以简化为如图所示模型：废液内含有大量正、负离子，从直径为d的圆柱形容器右侧流入，左侧流出。流量值Q等于单位时间通过横截面液体的体积。空间有垂直纸面向里的磁感应强度为B的匀强磁场，若M、N两点间的电压为U。下列说法正确的是（ ）
A．M点的电势高于N点的电势
B．排放废液的流速为
C．排放废液的流量为
D．若废液中正、负离子的浓度增大，M、N间的电势差会增大
二、多选题（共5题，每题5分，共25分）
8．磁流体发电的原理如图所示，将一束速度为v的等离子体垂直于磁场方向喷入磁感应强度为B的匀强磁场中，在面积为S、间距为d的两平行金属板a、b间产生电动势。将其上下极板与阻值为R的定值电阻和电容为C的平行板电容器相连，间距为L的电容器极板间有一带电微粒处于静止状态，不计其他电阻，重力加速度大小为g。下列说法正确的是（ ）
A．平行金属板a极板比b极板电势低
B．磁流体发电机的电动势为
C．电容器所带的电荷量为
D．微粒的比荷
9．一块横截面为矩形的金属导体的宽度为，厚度为，将导体置于一磁感应强度为的匀强磁场中，磁感应强度的方向垂直于侧面，如图所示。当在导体中通以图示方向的电流时，在导体的上下表面间用电压表测得的电压为，已知自由电子的电量为，则下列判断正确的是（ ）
A．导体内自由电子只受洛伦兹力作用
B．用电压表测时，电压表的“”接线柱接下表面
C．金属导体的厚度越大，越小
D．该导体单位体积内的自由电子数为
10．在两平行金属板间，有如图所示的互相正交的匀强电场和匀强磁场。α粒子以速度从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入时，恰好能沿直线匀速通过。则下列说法正确的是（ ）
A．若质子以速度从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入时，质子将不偏转
B．若电子以速度从两板的正中央垂直于电场方向和磁场方向射入时，电子将向下偏转
C．若质子以大于的速度，沿垂直于电场方向和磁场方向从两板正中央射入时，质子将向上偏转
D．若增大匀强磁场的磁感应强度，其他条件不变，电子以速度沿垂直于电场和磁场的方向，从两板正中央射入时，电子将向下偏转
11．如图所示，空间有竖直方向的匀强电场（场强大小未知）和垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为，竖直面内有一固定的光滑绝缘圆环，环上套有一带负电的小球，小球质量为，电荷量为，重力加速度大小为，现给小球一个大小为的初速度，小球恰好能沿光滑圆环做匀速圆周运动，则下列说法正确的是（ ）
A．电场方向向上，场强大小为
B．小球对圆环的作用力大小可能为
C．小球对圆环的作用力大小可能为
D．小球对圆环的作用力大小可能为
12．如图，一带电塑料小球质量为m，用丝线悬挂于O点，并在竖直平面内摆动，最大摆角为60°，水平磁场垂直于小球摆动的平面。当小球自左方摆到最低点时，悬线上的张力恰为零，则小球自右方最大摆角处摆到最低点处时，下列说法正确的是（ ）
A．小球可能带负电
B．悬线上的张力也为0
C．悬线上的张力为4mg
D．小球动能与自左方摆到最低点时动能相同
三、解答题（共4题，每题10分，共40分）
13．如图所示，在足够大的直角坐标系第Ⅰ象限内存在沿轴正方向、电场强度大小为的匀强电场，在轴下方存在方向垂直纸面向里的匀强磁场。一质量为、电荷量为的带负电粒子从轴上坐标为的点处沿轴正方向射入电场，粒子从轴上的点（图中未画出）进入磁场时的速度方向与轴正方向间的夹角，一段时间后恰好经过坐标原点。不计粒子受到的重力。求：
（1）粒子在点的初速度大小；
（2）、两点间的距离；
（3）磁场的磁感应强度大小以及粒子从点运动到点的时间。
14．如图，空间中存在着如图所示的电场和磁场，一带电粒子从y轴上的M（0， L）点沿x轴正方向以初速度v0射入电场，运动一段时间后从x轴上的N点（图中未标出）进入磁场，进入磁场时的动能为初动能的2倍。已知电场强度E和磁感应强度B的比值，不计粒子的重力。求：
（1）N点的坐标；
（2）粒子在磁场中运动时与入射点M的最大距离；
（3）粒子从M点射出到再-次经过y轴正半轴所用的时间。
15．如图所示，空间有一直角坐标系，其第Ⅰ象限存在沿y轴正方向的电场强度为的匀强电场、第Ⅳ象限内存在垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度。有一带负电粒子从y轴上的P点（）以某一初速度平行于x轴正方向射出，已知带电粒子质量，电荷量。在x轴下方有一平行于y轴的挡板（足够长），M点处于x轴上，其坐标为，不计带电粒子的重力和电场和磁场的边界效应。求：
（1）带电粒子第一次经过x轴的坐标；
（2）带电粒子从P点出发到返回y轴所需的时间t；
（3）若第Ⅰ象限的电场强度E受控于带电粒子从P点发射的初速度，即始终有：（磁感应强度B不变），要使带电粒子能击中挡板左侧，求出粒子发射初速度的范围。
16．图甲是该装置的左视图，ab是水平放置很短的光滑玻璃管，紧靠玻璃管的两端有竖直金属板、，两板间有方向向右的电场，ab管的中轴线与水平放置的金属板、的中心线重合，板长为，板的高度差，紧邻的右端PQ、KH间存在方向水平向里的匀强磁场，其水平间距为，整个装置放在抽成真空密闭的有机玻璃箱中。其中有一个带电量为、质量为m的红色小球（红色小球的直径略小于管的直径）由静止从玻璃管最左端发出（球经ab玻璃管时间极短），重力加速度为g。求：
（1）小球恰好从点射入磁场，、间的电压U为多大？
（2）欲使小球从点射入磁场后做匀速圆周运动，需在PQ、KH间加以竖直方向的匀强电场，求此匀强电场场强E的大小和方向，以及小球不从KH射出磁场时磁感应强度B的取值范围；
（3）假设在、板间也加入（2）中的匀强电场，PQ、KH间匀强磁场的磁感应强度为，在、间加上如图乙所示，电压在间周期性变化的电场，玻璃管最左端有无穷多个带电量为、质量为m的红色小球从a点由静止连续出发，小球不会穿过边界KH，则在PQ、KH区域可以看到一个弯曲的“红色喷泉”，则“红色喷泉”的面积S是多少？
参考答案
1．D
2．C
3．B
4．C
5．D
6．C
7．C
8．ACD
9．BD
10．ACD
11．BCD
12．CD
13．（1） ；（2）；（3），
14．（1）；（2）；（3）
15．（1）；（2）；（3）
16．（1）；（2），方向竖直向上，；（3）