1.4 质谱仪与回旋加速器（同步练习）-【新教材精创】2020-2021学年高中物理新教材同步备课（人教版选择性必修第二册)

第一章　安培力与洛伦兹力 第4节　质谱仪与回旋加速器 一、多选题 1．1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，凭借此项成果，他于1939年获得诺贝尔物理学奖，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说法正确的是（　　） A．带电粒子由加速器的边缘进入加速器 B．带电粒子每次进入D形盒时做匀速圆周运动 C．被加速的带电粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而增大 D．经过半个圆周后带电粒子再次到达两盒间的缝隙时，两盒间的电压恰好改变正负 【答案】BD 【详解】 A．粒子运动的半径越来越大，所以离子由加速器的靠近中心处进入加速器，故A错误； B．带电粒子每次进入D形盒时均在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，故B正确； C．根据 可知，被加速的带电粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期不变，故C错误； D．为了使得粒子不断得到加速，经过半个圆周后带电粒子再次到达两盒间的缝隙时，两盒间的电压恰好改变正负，故D正确。 故选BD。 2．下图中关于磁场中的四种仪器的说法中正确的是（　　） A．甲图中回旋加速器加速带电粒子的最大动能与回旋加速器的半径无关 B．乙图中不改变质谱仪各区域的电场磁场时击中光屏同一位置的粒子比荷相同 C．丙图中自由电荷为负电荷的霍尔元件通上如图所示电流和加上如图磁场时N侧带负电荷 D．丁图长宽高分别为为a、b、c的电磁流量计加上如图所示磁场，若流量Q恒定，则前后两个金属侧面的电压与a、b无关 【答案】BCD 【详解】 A．回旋加速器中，由牛顿第二定律可得 带电粒子射出时的动能为 联立解得 回旋加速器加速带电粒子的最大动能与回旋加速器的半径有关，A错误； B．带电粒子在加速电场中，由动能定理可得 带电粒子在复合场中，由共点力平衡条件可得 带电粒子在磁场中运动，由牛顿第二定律可得 联立可得 乙图中不改变质谱仪各区域的电场磁场时击中光屏同一位置的粒子，速度相同，半径相同，因此粒子比荷相同，B正确； C．丙图中自由电荷为负电荷的霍尔元件通上如图所示电流和加上如图磁场时，由左手定则可知，负电荷所受洛伦兹力向左，因此N侧带负电荷，C正确； D．最终正负离子会受到电场力和洛伦兹力而平衡，即 同时 而水流量为 联立可得 前后两个金属侧面的电压与流量、磁感应强度以及c有关，与a、b无关，D正确； 故选BCD。 3．如图所示，一束带电粒子（不计重力）以一定的初速度沿直线通过由相互正交的匀强磁场B（方向垂直纸面，未画出）和匀强电场E组成的速度选择器，然后粒子通过平板S上的狭缝P，进入另一垂直纸面向外的匀强磁场，最终打在平板S上的A1A2之间。下列说法正确的是（　　） A．通过狭缝P的粒子带正电 B．磁场B的方向垂直纸面向外 C．打在A1A2上的位置距P越远，粒子的速度越小 D．粒子打在A1A2上的位置距P越远，粒子的比荷（电荷量与质量的比）越大 【答案】AB 【详解】 A．带电粒子在磁场中向左偏转，根据左手定则，知该粒子带正电，故A正确； BC．粒子经过速度选择器时，所受的电场力和洛伦兹力平衡，电场力水平向右，则洛伦兹力水平向左，根据左手定则可知，匀强磁场的方向垂直纸面向外，根据平衡条件有 qE=qvB 则 即从P点进入磁场的粒子速度均相同，故B正确，C错误； D．所有打在A1A2上的粒子，在磁场B'中做匀速圆周运动，根据 可得 经过速度选择器进入磁场B'的粒子速度相等，粒子打在A1A2上的位置越远离P，则半径越大，粒子的比荷越小，故D错误。 故选AB。 4．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，分别和高频交流电源相连接，两盒间的窄缝中形成匀强电场，使带电粒子每次通过窄缝都得到加速。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反复被加速，直到达到最大圆周半径时通过特殊装置被引出。下列关于回旋加速器说法错误的是（　　） A．带电粒子从磁场获得能量 B．增大匀强磁场，粒子射出时速度越大 C．增大匀强电场，粒子射出时速度越大 D．因为洛伦兹力不做功，粒子射出时的速度与磁场无关 【答案】ACD 【详解】 A．带电粒子在电场中始终被加速，在磁场中总是匀速圆周运动，粒子从电场中获得能量，故A错误； BCD．根据 得粒子出D形盒时的速度 增大匀强磁场B，粒子射出时速度越大，与电场无关，故B正确CD错误。 故选ACD。 5．笔记本电脑趋于普及，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，一块宽为a、长为c的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