第4节质谱仪与回旋加速器 能力提升练习（Word版含答案）
文档属性
| 名称 | 第4节质谱仪与回旋加速器 能力提升练习（Word版含答案） |  | |
| 格式 | doc | ||
| 文件大小 | 728.5KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2022-04-07 00:50:04 | ||
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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
能力提升练习
一、单选题
1． 如图所示,在两水平金属板构成的器件中,存在匀强电场与匀强磁场,电场强度E和磁感应强度B相互垂直,以某一水平速度进入的不计重力的带电粒子恰好能沿直线运动,下列说法正确的是( )
A．粒子一定带负电
B．粒子的速度大小v=B/E
C．若粒子速度大小改变,粒子将做曲线运动
D．若粒子速度大小改变,电场对粒子的作用力会发生改变
2． 如图所示为一速度选择器，内有一磁感应强度B方向垂直纸面向外的匀强磁场，一束正离子以速度v从左侧水平射入，为使粒子流经磁场时不偏转（不计重力）则磁场区域内必须同时存在一个匀强电场，下列说法不正确的是（ ）
A．该电场场强大小为，方向向上
B．离子沿直线匀速穿过该装置的时间与场强无关
C．负离子从右向左水平射入时，不会发生偏转
D．负离子从左向右水平射入时，也不会发生偏转
3． 中核集团研发的“超导质子回旋加速器”，能够将质子加速至光速的。用如图所示的回旋加速器加速粒子，两D形金属盒接高频交流电极，使粒子通过两D形金属盒间的狭缝时得到加速，两D形金属盒处于方向垂直盒底的匀强磁场中，下列操作能使带电粒子射出时的动能增大的是（ ）
A．增大D形金属盒的半径 B．减小D形金属盒的半径
C．增大狭缝间的加速电压 D．减小狭缝间的加速电压
4． 质谱仪是测带电粒子质量和分析同位素的一种仪器，它的工作原理是带电粒子（不计重力）经同一电场加速后垂直进入同一匀强磁场做圆周运动，然后利用相关规律计算出带电粒子的质量。其工作原理如图所示，虚线为某粒子的运动轨迹，由图可知( )
A．此粒子带负电
B．下极板比上极板电势高
C．若只增大加速电压，则半径变大
D．若只增大入射粒子的质量，则半径变小
5． 美国物理学家劳伦斯于1932年发明的回旋加速器，利用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的特点，使粒子在较小的空间范围内经过电场的多次加速获得较大的能量。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的场强大小恒定，且被限制在A、C板间，带电粒子从P0处由静止释放，并沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D形盒中的匀强磁场中做匀速圆周运动。对于这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是（ ）
A．带电粒子每运动半周被加速一次
B．P1P2=P2P3
C．粒子能获得的最大速度与D形盒的尺寸有关
D．A、C板间的加速电场的方向需要做周期性的变化
6． 质谱仪可以测定有机化合物分子结构，现有一种质谱仪的结构可简化为如图所示，有机物的气体分子从样品室注入离子化室，在高能电子作用下，样品气体分子离子化或碎裂成离子．若离子化后的离子带正电，初速度为零，此后经过高压电源区、圆形磁场室（内为匀强磁场）、真空管，最后打在记录仪上，通过处理就可以得到离子比荷（）进而推测有机物的分子结构．已知高压电源的电压为U，圆形磁场区的半径为R，真空管与水平面夹角为θ，离子进入磁场室时速度方向指向圆心．则下列说法正确的是
A．高压电源A端应接电源的正极
B．磁场室的磁场方向必须垂直纸面向里
C．若离子化后的两同位素X1、X2（X1质量大于X2质量）同时进入磁场室后，出现图中的轨迹Ⅰ和Ⅱ，则轨迹Ⅰ一定对应X1
D．若磁场室内的磁感应强度大小为B，当记录仪接收到一个明显的信号时，与该信号对应的离子比荷为
7． 如图所示，由两种比荷不同的离子组成的离子束，从静止经电场加速后，经过由正交的匀强电场和匀强磁场组成的速度选择器后，进入另一个匀强磁场中并分裂为A．B两束。离子的重力不计，下列说法中正确的有（ ）
A．两束离子的加速电压相同 B．组成A束和B束的离子质量一定相同
C．A束离子的比荷大于B束离子的比荷 D．A束离子的动能大于B束离子的动能
8． 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πfR
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
9． 质谱仪可测定同位素的组成。，现有一束一价的钾 39 和钾 41 离子经电场加速后，沿着与磁场边界垂直的方向进入匀强磁场中，如图所示。测试时规定加速电压大小为 U0，但在实验过程中加速电压有较小的波动，可能偏大或偏小ΔU．为使钾 39 和钾 41 打在照相底片上的区域不重叠，不计离子的重力，则ΔU 不得超过（ ）
A．0.1U0 B．0.01U0 C．0.02 U0 D．0.025 U0
10．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．
二、多选题
11．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
12．某种质谱仪的工作原理示意图如图所示，此质谱仪由以下几部分构成：粒子源S；M、N为加速电场；速度选择器P、Q，其间是正交的匀强磁场和匀强电场，强度分别为B1和E，磁场方向垂直于纸面向里；磁感应强度为B2、方向垂直纸面向外的有界匀强磁场；核乳胶片．由粒子源发出的初速度不计的不同带电粒子α粒子、β粒子、质子、正电子、氘核和氚核中的几种，经加速电场加速（不同粒子经过加速电场时，其电场强度不一样），经过速度选择器，进入有界匀强磁场B2，最终打在核乳胶片上，形成a、b、c三条质谱线．则粒子源发出的粒子可能有（ ）
A．α粒子、β粒子、质子 B．α粒子、质子、氘核和氚核
C．α粒子、质子、氘核 D．α粒子、正电子、质子和氚核
13．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
14．关于洛伦兹力的应用，下列说法正确的是（ ）
A．图甲是用来加速带电粒子的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U
B．图乙是磁流体发电机的结构示意图，可以判断出A极板是发电机的负极，B极板是发电机的正极
C．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．图丁是质谱仪的主要原理图。其中在磁场中偏转半径最小的是
15．1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其核心部分如图所示．匀强磁场垂直D 形盒底面，两盒分别与交流电源相连．则下列说法中正确的是（ ）
A．加速器的半径越大，粒子射出时获得的动能越大
B．粒子获得的最大动能由交变电源的电压决定
C．加速器中的电场和磁场都可以使带电粒子加速
D．粒子在磁场中运动的周期与交变电压的周期同步
三、解答题
16．某种回旋加速器的设计方案如图甲所示，图中粗黑线段为两个正对的极板，两个极板的板面中部各有一狭缝(沿OP方向的狭长区域)，带电粒子可通过狭缝穿越极板(如图乙所示)，当带电粒子每次进入两极板间时，板间电势差为U(下极板电势高于上极板电势)，当粒子离开两极板后，极板间电势差为零；两细虚线间(除开两极板之间的区域)既无电场也无磁场；其他部分存在匀强磁场，磁感应强度方向垂直纸面．在离子源S中产生的质量为m、电荷量为q(q>0)的离子，由静止开始被电场加速，经狭缝中的O点进入磁场区域，O点到极板右端的距离为D，到出射孔P的距离为4D，已知磁感应强度大小可以调节，离子从离子源上方的O点射入磁场区域，最终只能从出射孔P射出，假设离子打到器壁或离子源外壁则即被吸收．忽略相对论效应，不计离子重力，求：
(1)离子从出射孔P射出时磁感应强度的最小值；
(2)调节磁感应强度大小使B1=，计算离子从P点射出时的动能．
17．一台质谱仪的工作原理如图所示。比荷分别为、的两种带电粒子从容器右侧的狭缝飘入电势差为的加速电场，其初速度几乎为0，然后经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中，最后打到底片上。已知带电粒子从狭缝进入磁场时与垂直磁场边界方向存在一个很小的散射角，所有粒子均打在底片的区域内。比荷为的粒子能打在底片上的最远点为，比荷为的粒子能打在底片上的最近点为，点、到狭缝的距离分别为、。若忽略带电粒子的重力及相互间作用力，求：
（1）两种粒子的比荷的比值；
（2）比荷为的粒子在磁场中运动的最短时间；
（3）若考虑加速电压有波动，在到之间变化，该两种粒子在底片重叠的长度与的关系。
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 C A C C D C B D B
二、多选题
题号 11 12 13 14 15
答案 AC BD AB BC AD
三、解答题
16．（1）（2）
17．（1）；（2）；（3）
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能力提升练习
一、单选题
1． 如图所示,在两水平金属板构成的器件中,存在匀强电场与匀强磁场,电场强度E和磁感应强度B相互垂直,以某一水平速度进入的不计重力的带电粒子恰好能沿直线运动,下列说法正确的是( )
A．粒子一定带负电
B．粒子的速度大小v=B/E
C．若粒子速度大小改变,粒子将做曲线运动
D．若粒子速度大小改变,电场对粒子的作用力会发生改变
2． 如图所示为一速度选择器，内有一磁感应强度B方向垂直纸面向外的匀强磁场，一束正离子以速度v从左侧水平射入，为使粒子流经磁场时不偏转（不计重力）则磁场区域内必须同时存在一个匀强电场，下列说法不正确的是（ ）
A．该电场场强大小为，方向向上
B．离子沿直线匀速穿过该装置的时间与场强无关
C．负离子从右向左水平射入时，不会发生偏转
D．负离子从左向右水平射入时，也不会发生偏转
3． 中核集团研发的“超导质子回旋加速器”，能够将质子加速至光速的。用如图所示的回旋加速器加速粒子，两D形金属盒接高频交流电极，使粒子通过两D形金属盒间的狭缝时得到加速，两D形金属盒处于方向垂直盒底的匀强磁场中，下列操作能使带电粒子射出时的动能增大的是（ ）
A．增大D形金属盒的半径 B．减小D形金属盒的半径
C．增大狭缝间的加速电压 D．减小狭缝间的加速电压
4． 质谱仪是测带电粒子质量和分析同位素的一种仪器，它的工作原理是带电粒子（不计重力）经同一电场加速后垂直进入同一匀强磁场做圆周运动，然后利用相关规律计算出带电粒子的质量。其工作原理如图所示，虚线为某粒子的运动轨迹，由图可知( )
A．此粒子带负电
B．下极板比上极板电势高
C．若只增大加速电压，则半径变大
D．若只增大入射粒子的质量，则半径变小
5． 美国物理学家劳伦斯于1932年发明的回旋加速器，利用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的特点，使粒子在较小的空间范围内经过电场的多次加速获得较大的能量。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的场强大小恒定，且被限制在A、C板间，带电粒子从P0处由静止释放，并沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D形盒中的匀强磁场中做匀速圆周运动。对于这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是（ ）
A．带电粒子每运动半周被加速一次
B．P1P2=P2P3
C．粒子能获得的最大速度与D形盒的尺寸有关
D．A、C板间的加速电场的方向需要做周期性的变化
6． 质谱仪可以测定有机化合物分子结构，现有一种质谱仪的结构可简化为如图所示，有机物的气体分子从样品室注入离子化室，在高能电子作用下，样品气体分子离子化或碎裂成离子．若离子化后的离子带正电，初速度为零，此后经过高压电源区、圆形磁场室（内为匀强磁场）、真空管，最后打在记录仪上，通过处理就可以得到离子比荷（）进而推测有机物的分子结构．已知高压电源的电压为U，圆形磁场区的半径为R，真空管与水平面夹角为θ，离子进入磁场室时速度方向指向圆心．则下列说法正确的是
A．高压电源A端应接电源的正极
B．磁场室的磁场方向必须垂直纸面向里
C．若离子化后的两同位素X1、X2（X1质量大于X2质量）同时进入磁场室后，出现图中的轨迹Ⅰ和Ⅱ，则轨迹Ⅰ一定对应X1
D．若磁场室内的磁感应强度大小为B，当记录仪接收到一个明显的信号时，与该信号对应的离子比荷为
7． 如图所示，由两种比荷不同的离子组成的离子束，从静止经电场加速后，经过由正交的匀强电场和匀强磁场组成的速度选择器后，进入另一个匀强磁场中并分裂为A．B两束。离子的重力不计，下列说法中正确的有（ ）
A．两束离子的加速电压相同 B．组成A束和B束的离子质量一定相同
C．A束离子的比荷大于B束离子的比荷 D．A束离子的动能大于B束离子的动能
8． 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πfR
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
9． 质谱仪可测定同位素的组成。，现有一束一价的钾 39 和钾 41 离子经电场加速后，沿着与磁场边界垂直的方向进入匀强磁场中，如图所示。测试时规定加速电压大小为 U0，但在实验过程中加速电压有较小的波动，可能偏大或偏小ΔU．为使钾 39 和钾 41 打在照相底片上的区域不重叠，不计离子的重力，则ΔU 不得超过（ ）
A．0.1U0 B．0.01U0 C．0.02 U0 D．0.025 U0
10．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．
二、多选题
11．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
12．某种质谱仪的工作原理示意图如图所示，此质谱仪由以下几部分构成：粒子源S；M、N为加速电场；速度选择器P、Q，其间是正交的匀强磁场和匀强电场，强度分别为B1和E，磁场方向垂直于纸面向里；磁感应强度为B2、方向垂直纸面向外的有界匀强磁场；核乳胶片．由粒子源发出的初速度不计的不同带电粒子α粒子、β粒子、质子、正电子、氘核和氚核中的几种，经加速电场加速（不同粒子经过加速电场时，其电场强度不一样），经过速度选择器，进入有界匀强磁场B2，最终打在核乳胶片上，形成a、b、c三条质谱线．则粒子源发出的粒子可能有（ ）
A．α粒子、β粒子、质子 B．α粒子、质子、氘核和氚核
C．α粒子、质子、氘核 D．α粒子、正电子、质子和氚核
13．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
14．关于洛伦兹力的应用，下列说法正确的是（ ）
A．图甲是用来加速带电粒子的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U
B．图乙是磁流体发电机的结构示意图，可以判断出A极板是发电机的负极，B极板是发电机的正极
C．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．图丁是质谱仪的主要原理图。其中在磁场中偏转半径最小的是
15．1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其核心部分如图所示．匀强磁场垂直D 形盒底面，两盒分别与交流电源相连．则下列说法中正确的是（ ）
A．加速器的半径越大，粒子射出时获得的动能越大
B．粒子获得的最大动能由交变电源的电压决定
C．加速器中的电场和磁场都可以使带电粒子加速
D．粒子在磁场中运动的周期与交变电压的周期同步
三、解答题
16．某种回旋加速器的设计方案如图甲所示，图中粗黑线段为两个正对的极板，两个极板的板面中部各有一狭缝(沿OP方向的狭长区域)，带电粒子可通过狭缝穿越极板(如图乙所示)，当带电粒子每次进入两极板间时，板间电势差为U(下极板电势高于上极板电势)，当粒子离开两极板后，极板间电势差为零；两细虚线间(除开两极板之间的区域)既无电场也无磁场；其他部分存在匀强磁场，磁感应强度方向垂直纸面．在离子源S中产生的质量为m、电荷量为q(q>0)的离子，由静止开始被电场加速，经狭缝中的O点进入磁场区域，O点到极板右端的距离为D，到出射孔P的距离为4D，已知磁感应强度大小可以调节，离子从离子源上方的O点射入磁场区域，最终只能从出射孔P射出，假设离子打到器壁或离子源外壁则即被吸收．忽略相对论效应，不计离子重力，求：
(1)离子从出射孔P射出时磁感应强度的最小值；
(2)调节磁感应强度大小使B1=，计算离子从P点射出时的动能．
17．一台质谱仪的工作原理如图所示。比荷分别为、的两种带电粒子从容器右侧的狭缝飘入电势差为的加速电场，其初速度几乎为0，然后经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中，最后打到底片上。已知带电粒子从狭缝进入磁场时与垂直磁场边界方向存在一个很小的散射角，所有粒子均打在底片的区域内。比荷为的粒子能打在底片上的最远点为，比荷为的粒子能打在底片上的最近点为，点、到狭缝的距离分别为、。若忽略带电粒子的重力及相互间作用力，求：
（1）两种粒子的比荷的比值；
（2）比荷为的粒子在磁场中运动的最短时间；
（3）若考虑加速电压有波动，在到之间变化，该两种粒子在底片重叠的长度与的关系。
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 C A C C D C B D B
二、多选题
题号 11 12 13 14 15
答案 AC BD AB BC AD
三、解答题
16．（1）（2）
17．（1）；（2）；（3）
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