1.4 质谱仪与回旋加速器 拓展+高考-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 拓展+高考 一、拓展题 1（2021·广东广州·模拟预测）如图为回旋加速器工作原理示意图。置于真空中的D形盒之间的狭缝很小，带电粒子穿过狭缝的时间可忽略。匀强磁场与盒面垂直，粒子在磁场中运动周期为TB，两D形盒间的狭缝中的交变电压周期为TE。若不考虑相对论效应和粒子重力的影响，则（　　） A．TB=0.5TE B．TB=2TE C．粒子从电场中获得动能 D．粒子从磁场中获得动能 【答案】C 【详解】 AB．粒子每运动半周，被电场加速一次，故粒子在磁场中的运动周期与两D形盒间的狭缝中的交变电压变化周期相等，即TB=TE， AB错误； CD．电场力对粒子做正功，使粒子动能增大，即粒子从电场中获得动能，洛伦兹力只改变粒子的运动方向，不对粒子做功，粒子没有从磁场中获得动能，C正确，D错误。 故选C。 2（2022·安徽·模拟预测）质子刀治疗是世界最先进的肿瘤放射治疗技术，其原理是电场对质子进行加速，当达到一定能量后，用质子束照射肿瘤，杀死肿瘤细胞。近日由中国科学院合肥物质科学研究院自主研制的最紧凑型超导回旋质子治疗系统加速器研制成功。该回旋加速器中加速电场场强达到170kV/cm国际最高应用水平，加速器中磁场的磁感应强度达到最高3.0T，引出的质子具有200MeV（1M=1×106）的能量，实现高能量级超导回旋加速器关键技术突破。已知两D形盒间距为0.01cm，质子电量为1.6×10﹣19C，质子质量约为1.67×10﹣27kg。则下列说法正确的是（　　） A．加速电场为恒定不变有的电场 B．质子在电场中加速的时间约为8.35×10﹣21s C．回旋加速器的D形盒的内半径最接近0.5m D．回旋加速器的D形盒的内半径最接近5m 【答案】C 【详解】 A．质子在电场中做加速运动，每次经过电场，电场方向反向，是变化的电场，故A错误； B．把质子多次在电场中的运动连续在一起，质子做匀加速直线运动，根据v=at， 代入数据可得v=1.96×108m/s ，代入数据am/s2=1.63×1015m/s2 加速时间ts≈1.18×10﹣7s， 故B错误； CD．质子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力做为向心力 代入数据Rm≈0.68m， 故C正确，D错误。 故选C。 3（2021·安徽马鞍山·三模）回旋加速器的工作原理如图所示。D1和D2是两个中空的半圆金属盒，它们之间接电压为U的交流电源。中心A处的粒子源产生的带电粒子，初速度可视为0，在两盒之间被电场加速。两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场B中，粒子在磁场中做匀速圆周运动。忽略两盒缝之间的距离。已知粒子被第一次加速后，经过时间t，再次到达盒缝处，与A的距离为d。则（　　） A．电场变化的周期为t B．粒子被2次加速后，再次经过盒缝时，与A的距离为d C．粒子的最大动能与金属盒半径R、加速电压U均有关 D．粒子在加速器中运动的时间与加速电压U、金属盒半径R均有关 【答案】D 【详解】 A．根据加速原理，当粒子在磁场中运动周期与交变电压周期同步时才能处于加速状态，故电场变化的周期在磁场中运动周期相同，而时间t是磁场中运动的半个周期，磁场中运动周期T=2t，所以电场变化周期为2t，故A错误； B．粒子第二次加速后，速度变大，由得 可得v变大，则R变大，则再次经过盒缝时，与A点的距离大于d，则B错误； C．由 ， 则，此可知，粒子的最大动能只与粒子本身的荷质比，加速半径，和磁场大小有关，与电源电压U无关，故C错误； D．粒子在回旋加速器运动的总时间与粒子在电场中加速，在磁场中偏转次数有关，而电压越高，次数越少，总时间越少，金属盒半径越大，次数越多，时间越长，故D正确； 故选CD。 4（2021·福建·莆田二中二模）如图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大小恒定，且被限制在AC板间，虚线中间不需加电场，如图所示，带电粒子从P0处以速度v0沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，对这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是（　　） A．加速粒子的最大速度与D形盒的尺寸无关 B．带电粒子每运动一周被加速一次 C．带电粒子每运动一周P1P2等于P2P3 D．加速电场方向需要做周期性的变化 【答案】B 【详解】 A．当粒子从D形盒中出来时，速度最大，根据知加速粒子的最大速度与D形盒的半径有关，故A错误。 BD．带电粒子只有经过AC板间时被加速，即带电粒子每运动一周被加速一次，电场的方向没有改变，则在AC间加速，电场方向不需要做周期性的变化，故B正确，D错误； C．根据和式中n为加速次数，得 可知， 所以， 故C错误； 故选B。 5（2022·安徽黄山·一模）关于下列四幅图的说法正确的是（ ） A．图