1.4 质谱仪与回旋加速器 基础+能力-2021-2022学年高二物理课后四维同步练（2019人教版选择性必修第二册）

第一章 第四节 质谱仪与回旋加速器 基础+能力 一、基础题 1．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，离子源产生一个质量为、电荷量为的正离子，离子产生出来时的速度很小，可以认为是静止的。离子产生出来后经过电压加速，进入磁感应强度为的匀强磁场，沿着半圆周运动最后到达照相底片上，测得它在上的位置到入口处的距离为，若某离子通过上述装置后，测得它在上的位置到入口处的距离大于，则说明（　　） A．离子的质量一定变大 B．加速电压一定变大 C．磁感应强度一定变大 D．离子所带电荷量可能变小 【答案】D 【详解】 在加速电场中，根据动能定理有 得 进入磁场后，有 又 ， 所以 可以看出，变大，可能是因为变大或变大或变小或变小。 故选D。 2．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 【答案】C 【详解】 A．两束离子均沿直线通过速度选择器，则经电场加速后的速度相同，离子经过加速电场时，由动能定理有qU=mv2-0 ， 解得v=， 因两束离子的比荷不同，则加速电压不同，A错误； BCD．由图可知，在磁场中运动时，A束离子的轨道半径小于B束离子的轨道半径，由洛伦兹力提供向心力有 ， 可知r=，则A束离子的比荷大于B束离子的比荷，而两束离子的质量无法比较，则两束离子的动能也无法比较，C正确，B．D错误。 故选C。 3．如图所示为质谱仪的示意图，速度选择器（也称滤速器）中场强E的方向竖直向下，磁感应强度B1的方向垂直纸面向里，分离器中磁感应强度B2的方向垂直纸面向外。在S处有甲、乙、丙、丁四个一价正离子垂直于E和B1入射到速度选择器中，若m甲＝m乙<m丙＝m丁，v甲<v乙＝v丙<v丁，在不计重力的情况下，则打在P1、P2、P3、P4四点的离子分别是（　　） A．甲、乙、丙、丁 B．甲、丁、乙、丙 C．丙、丁、乙、甲 D．甲、乙、丁、丙 【答案】B 【详解】 离子带正电，电荷量为e，规定向下为正方向，其刚进入速度选择器时受力F＝eE－eB1v 为使离子受力平衡，做匀速直线运动到分离器中，需F＝0 ， 即v＝ 根据题图可知有两个离子满足条件，这两个离子的速度相等，为乙和丙，所以乙和丙穿过了速度选择器，到达分离器，在分离器中，离子做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力evB2＝m， 则r＝ 由于乙、丙的速度相同，则质量越大的离子运动半径越大，即乙打在P3点，丙打在P4点；根据受力情况，在水平金属板之间时，初始速度越大，粒子向上偏转，反之向下偏转，所以丁打在P2点，甲打在P1点，故B项正确，ACD错误。 故选B。 4．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 【答案】A 【详解】 设D形盒半径为R，则带电粒子速度最大时有 ， 解得 所以最大动能为 故选A。 5．如图所示为一种获得高能粒子的装置，环形区域内存在垂直纸面向外、磁感应强度大小可调的均匀磁场（环形区域的宽度非常小）质量为、电荷量为的粒子可在环中做半径为的圆周运动。、为两块中心开有小孔的距离很近的极板，原来电势均为零，每当带电粒子经过板准备进入之间时，板电势升高为，板电势仍保持为零，粒子在两板间的电场中得到加速。每当粒子离开板时，板电势又降为零。粒子在电场中一次次加速下动能不断增大，而在环形磁场中绕行半径不变。（设极板间距远小于）下列说法正确的是（　　） A．粒子从板小孔处由静止开始在电场力作用下加速，绕行圈后回到板时获得的总动能为 B．粒子在绕行的整个过程中，每一圈的运动时间不变 C．为使粒子始终保持在半径为的圆轨道上运动，磁场的磁感应强度大小必须周期性递减 D．粒子从板小孔处由静止开始在电场力作用下加速，绕行第圈时的磁感应强度为 【答案】D 【详解】 A．带电粒子每一次经过电场，获得的动能为，经过圈后获得的动能为,选项A错误； BC．由可知 要使半径不变，速度增加时磁感应强度也要增加，则根据 可知，带电粒子的运动周期逐渐减小，选项BC错误； D．由可得， 选项D正确。 故选D。 6．下列有关回旋加速器工作原理的说法中，正确的是（　　） A．电场和