第一章 第4节质谱仪与回旋加速器（word版含答案）
文档属性
| 名称 | 第一章 第4节质谱仪与回旋加速器（word版含答案） |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 1.0MB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-03-31 12:53:36 | ||
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文档简介
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
挑战学霸
一、单选题
1． 一回旋加速器当外加磁场一定时，可把质子加速到v，它能把氚核加速到的速度为（ ）
A．v B．2v C． D．
2． 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和匀强电场的强度分别为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。下列表述正确的是
A．只有带正电的粒子能通过速度选择器沿直线进入狭缝 P
B．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝 P，粒子的比荷越大
C．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里
D．能通过的狭缝 P 的带电粒子的速率等于
3． 质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具．它的构造原理如图所示，粒子源S发出两种带正电的同位素粒子甲、乙，速度都很小，可忽略不计．粒子经过电场加速后垂直进入有界匀强磁场，最终打到底片上，测得甲、乙两粒子打在底片上的点到入射点的距离之比为3∶2，则甲、乙两粒子的质量之比是( )
A．2∶3 B．∶ C．∶ D．9∶4
4． 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．
5． 在如图所示的平行板器件中，电场强度E和磁感应强度B相互垂直，两平行板水平放置．具有不同水平速度的带电粒子射入后发生偏转的情况不同．这种装置能把具有某一特定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器．现有一束带电粒子以速度v0从左端水平射入，不计粒子重力．下列判断正确的是
A．若粒子带正电且速度，则粒子将沿图中虚线方向通过速度选择器
B．若粒子带负电且速度，则粒子将偏离虚线方向向上做曲线运动
C．若粒子带正电且速度，则粒子将偏离虚线方向向上做曲线运动
D．若粒子带负电且速度，则粒子将偏离虚线方向向上做曲线运动
6． 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
7． 如图所示，下列说法正确的是（ ）
A．如图甲是回旋加速器的示意图。要想粒子获得的最大动能增大，可增加电压
B．如图乙是磁流体发电机的结构示意图，可以判断出极板是发电机的负极
C．如图丙是速度选择器，带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是
D．如图丁是质谱仪的原理示意图，粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝，粒子的比荷越小
8． 回旋加速器是用来加速带电粒子的装置，如图所示．它的核心部分是两个D形金属盒，两盒相距很近，a、b接在电压为U、周期为T的交流电源上．两盒间的窄缝中形成匀强电场，两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面．带电粒子在磁场中做圆周运动，通过两盒间的窄缝时被加速，直到达到最大圆周半径时通过特殊装置被引出．设D形盒的半径为R，现将垂直于金属D形盒的磁场感应强度调节为B．，刚好可以对氚核()进行加速，氚核所能获得的能量为，以后保持交流电源的周期T不变．(已知氚核和α粒子质量比为3：4，电荷量之比为1：2)则：
A．若只增大交变电压U，则氚核在回旋加速器中运行时间不会发生变化
B．若用该装置加速α粒子，应将磁场的磁感应强度大小调整为
C．将磁感应强度调整后对α粒子进行加速，a粒子在加速器中获得的能量等于氚核的能量
D．将磁感应强度调整后对α粒子进行加速，粒子在加速器中加速的次数小于氚核的次数
9． 如图所示为某一质谱仪的工作原理示意图，此质谱仪由以下几部分构成：离子源、加速电场、静电分析器、磁分析器、收集器。静电分析器通道中心线半径为R，通道内有均匀辐射电场，在中心线上的电场强度大小为E；磁分析器中分布着方向垂直于纸面，磁感应强度大小为B的匀强磁场（图中未画出），其左边界与静电分析器的右边界平行。由离子源发出一个质量为m、电荷量为q的正离子（初速度为零，重力不计），经加速电场加速后进入静电分析器，沿中心线MN做匀速圆周运动，而后由P点进入磁分析器中，最终经过Q点进入收集器。下列说法中正确的是（ ）
A．磁分析器中匀强磁场方向垂直于纸面向里
B．加速电场中的加速电压U＝ER
C．磁分析器中圆心O2到Q点的距离d＝
D．任何离子若能到达P点，则一定能进入收集器
10．劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示：置于高真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略．磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，加速电压为U．若D型盒圆心A处粒子源产生的粒子质量为m、电荷量为+q，初速度为零，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑重力的影响，则下列说法正确的是
A．随着速度的增加，带电粒子在磁场中运动的周期越来越短
B．质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为2：1
C．质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比
D．质子被加速后的最大动能等于
二、多选题
11．回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示。设D形盒半径为R，若用回旋加速器加速质子时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流电频率为f，则下列说法正确的是（ ）
A．质子被加速后的最大速度不可能超过
B．质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关
C．只要R足够大，质子的速度可以被加速到任意值
D．不改变B和f，该回旋加速器也能用于加速α粒子
12．如图所示，图甲为速度选择器原理示意图，图乙为质谱仪原理示意图，图丙和图丁分别为多级直线加速器和回旋加速器的原理示意图，忽略粒子在图丁的D形盒狭缝中的加速时间。下列说法正确的是（ ）
A．图甲中，只有具有速度的粒子才能沿图中虚线路径经过速度选择器
B．图乙中，、、 三种粒子经加速电场射入磁场，在磁场中偏转半径最大
C．图丙中，由于技术上产生过高的电压是很困难的，为了使粒子获得更高的能量，所以采用多级直线加速装置
D．图丁中，随着粒子速度的增大，交流电源的频率也应该增大
13．如图所示为质谱仪的结构原理图带有小孔的两个水平极板、间有垂直极板方向的匀强电场，圆筒内可以产生质子和氚核，它们由静止进入极板间，经极板间的电场加速后进入下方的匀强磁场，在磁场中运动半周后打到底片上。不计质子和氚核的重力及它们间的相互作用。则下列判断正确的是（ ）
A．质子和氚核在极板、间运动的时间之比为
B．质子和氚核在磁场中运动的时间之比为
C．质子和氚核在磁场中运动的速率之比为
D．质子和氚核在磁场中运动的轨迹半径之比为
14．回旋加速器的工作原理如图所示，D1和D2是两个中空半圆金属盒，它们接在电压一定的交流电源上．A处的粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速，两个半圆盒处于盒面垂直的匀强磁场中，下列说法正确的是（ ）
A．粒子从磁场中获得能量
B．粒子从电场中获得能量
C．粒子离开回旋加速器获得动能与电压无关
D．粒子被电场加速后，运动越来越快，走过半圆的时间越来越短
15．如图是一个回旋加速器示意图，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()，下列说法中正确的是( )
A．它们的最大速度相同
B．它们的最大动能相同
C．两次所接高频电源的频率相同
D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能
三、解答题
16．一台质谱仪的工作原理如图所示，电荷量均为。质量不同的离子飘入电压为的加速电场，其初速度几乎为零，这些离子经过加速后通过狭缝沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为的匀强磁场，最后打在底片上，为放置底片的粒子检测区域，为的中点。已知，。（不计离子的重力）
（1）求所有离子经过加速电场后到达点的动能大小；
（2）求打在中点的离子质量；
（3）为使原本打在点的离子能打在区域，求加速电压的调节范围。
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
题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
答案 C B D B A D C D B D
二、多选题
题号 11 12 13 14 15
答案 AB ABC AD BC AC
三、解答题
16．（1）；（2）；（3）
17．（1）；（2）
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挑战学霸
一、单选题
1． 一回旋加速器当外加磁场一定时，可把质子加速到v，它能把氚核加速到的速度为（ ）
A．v B．2v C． D．
2． 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和匀强电场的强度分别为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。下列表述正确的是
A．只有带正电的粒子能通过速度选择器沿直线进入狭缝 P
B．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝 P，粒子的比荷越大
C．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里
D．能通过的狭缝 P 的带电粒子的速率等于
3． 质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具．它的构造原理如图所示，粒子源S发出两种带正电的同位素粒子甲、乙，速度都很小，可忽略不计．粒子经过电场加速后垂直进入有界匀强磁场，最终打到底片上，测得甲、乙两粒子打在底片上的点到入射点的距离之比为3∶2，则甲、乙两粒子的质量之比是( )
A．2∶3 B．∶ C．∶ D．9∶4
4． 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．
5． 在如图所示的平行板器件中，电场强度E和磁感应强度B相互垂直，两平行板水平放置．具有不同水平速度的带电粒子射入后发生偏转的情况不同．这种装置能把具有某一特定速度的粒子选择出来，所以叫做速度选择器．现有一束带电粒子以速度v0从左端水平射入，不计粒子重力．下列判断正确的是
A．若粒子带正电且速度，则粒子将沿图中虚线方向通过速度选择器
B．若粒子带负电且速度，则粒子将偏离虚线方向向上做曲线运动
C．若粒子带正电且速度，则粒子将偏离虚线方向向上做曲线运动
D．若粒子带负电且速度，则粒子将偏离虚线方向向上做曲线运动
6． 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
7． 如图所示，下列说法正确的是（ ）
A．如图甲是回旋加速器的示意图。要想粒子获得的最大动能增大，可增加电压
B．如图乙是磁流体发电机的结构示意图，可以判断出极板是发电机的负极
C．如图丙是速度选择器，带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是
D．如图丁是质谱仪的原理示意图，粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝，粒子的比荷越小
8． 回旋加速器是用来加速带电粒子的装置，如图所示．它的核心部分是两个D形金属盒，两盒相距很近，a、b接在电压为U、周期为T的交流电源上．两盒间的窄缝中形成匀强电场，两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面．带电粒子在磁场中做圆周运动，通过两盒间的窄缝时被加速，直到达到最大圆周半径时通过特殊装置被引出．设D形盒的半径为R，现将垂直于金属D形盒的磁场感应强度调节为B．，刚好可以对氚核()进行加速，氚核所能获得的能量为，以后保持交流电源的周期T不变．(已知氚核和α粒子质量比为3：4，电荷量之比为1：2)则：
A．若只增大交变电压U，则氚核在回旋加速器中运行时间不会发生变化
B．若用该装置加速α粒子，应将磁场的磁感应强度大小调整为
C．将磁感应强度调整后对α粒子进行加速，a粒子在加速器中获得的能量等于氚核的能量
D．将磁感应强度调整后对α粒子进行加速，粒子在加速器中加速的次数小于氚核的次数
9． 如图所示为某一质谱仪的工作原理示意图，此质谱仪由以下几部分构成：离子源、加速电场、静电分析器、磁分析器、收集器。静电分析器通道中心线半径为R，通道内有均匀辐射电场，在中心线上的电场强度大小为E；磁分析器中分布着方向垂直于纸面，磁感应强度大小为B的匀强磁场（图中未画出），其左边界与静电分析器的右边界平行。由离子源发出一个质量为m、电荷量为q的正离子（初速度为零，重力不计），经加速电场加速后进入静电分析器，沿中心线MN做匀速圆周运动，而后由P点进入磁分析器中，最终经过Q点进入收集器。下列说法中正确的是（ ）
A．磁分析器中匀强磁场方向垂直于纸面向里
B．加速电场中的加速电压U＝ER
C．磁分析器中圆心O2到Q点的距离d＝
D．任何离子若能到达P点，则一定能进入收集器
10．劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示：置于高真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略．磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，加速电压为U．若D型盒圆心A处粒子源产生的粒子质量为m、电荷量为+q，初速度为零，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑重力的影响，则下列说法正确的是
A．随着速度的增加，带电粒子在磁场中运动的周期越来越短
B．质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为2：1
C．质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U成正比
D．质子被加速后的最大动能等于
二、多选题
11．回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示。设D形盒半径为R，若用回旋加速器加速质子时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流电频率为f，则下列说法正确的是（ ）
A．质子被加速后的最大速度不可能超过
B．质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关
C．只要R足够大，质子的速度可以被加速到任意值
D．不改变B和f，该回旋加速器也能用于加速α粒子
12．如图所示，图甲为速度选择器原理示意图，图乙为质谱仪原理示意图，图丙和图丁分别为多级直线加速器和回旋加速器的原理示意图，忽略粒子在图丁的D形盒狭缝中的加速时间。下列说法正确的是（ ）
A．图甲中，只有具有速度的粒子才能沿图中虚线路径经过速度选择器
B．图乙中，、、 三种粒子经加速电场射入磁场，在磁场中偏转半径最大
C．图丙中，由于技术上产生过高的电压是很困难的，为了使粒子获得更高的能量，所以采用多级直线加速装置
D．图丁中，随着粒子速度的增大，交流电源的频率也应该增大
13．如图所示为质谱仪的结构原理图带有小孔的两个水平极板、间有垂直极板方向的匀强电场，圆筒内可以产生质子和氚核，它们由静止进入极板间，经极板间的电场加速后进入下方的匀强磁场，在磁场中运动半周后打到底片上。不计质子和氚核的重力及它们间的相互作用。则下列判断正确的是（ ）
A．质子和氚核在极板、间运动的时间之比为
B．质子和氚核在磁场中运动的时间之比为
C．质子和氚核在磁场中运动的速率之比为
D．质子和氚核在磁场中运动的轨迹半径之比为
14．回旋加速器的工作原理如图所示，D1和D2是两个中空半圆金属盒，它们接在电压一定的交流电源上．A处的粒子源产生的带电粒子，在两盒之间被电场加速，两个半圆盒处于盒面垂直的匀强磁场中，下列说法正确的是（ ）
A．粒子从磁场中获得能量
B．粒子从电场中获得能量
C．粒子离开回旋加速器获得动能与电压无关
D．粒子被电场加速后，运动越来越快，走过半圆的时间越来越短
15．如图是一个回旋加速器示意图，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()，下列说法中正确的是( )
A．它们的最大速度相同
B．它们的最大动能相同
C．两次所接高频电源的频率相同
D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能
三、解答题
16．一台质谱仪的工作原理如图所示，电荷量均为。质量不同的离子飘入电压为的加速电场，其初速度几乎为零，这些离子经过加速后通过狭缝沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为的匀强磁场，最后打在底片上，为放置底片的粒子检测区域，为的中点。已知，。（不计离子的重力）
（1）求所有离子经过加速电场后到达点的动能大小；
（2）求打在中点的离子质量；
（3）为使原本打在点的离子能打在区域，求加速电压的调节范围。
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
题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
答案 C B D B A D C D B D
二、多选题
题号 11 12 13 14 15
答案 AB ABC AD BC AC
三、解答题
16．（1）；（2）；（3）
17．（1）；（2）
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