(练习)5 课时分层训练(四) 质谱仪与回旋加速器-【提分教练】2022-2023学年新教材高中物理选择性必修第二册(人教版2019)

课时分层训练(四)　质谱仪与回旋加速器 知识点1　质谱仪 1.如图所示，一静止的质量为m、带电荷量为＋q的带电粒子(不计重力)，经电压U加速后垂直进入磁感应强度大小为B的匀强磁场中，粒子打至P点，设OP＝x，能正确反映x与U之间函数关系的xU图像是图中的(　　) A　　　　B　　　　C　　　　D B　解析：粒子在电场中加速，有qU＝mv2，带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动，有qvB＝m，又x＝2r，所以有x＝，B正确。 2.现代质谱仪可用来分析比质子重很多倍的离子，其示意图如图所示，其中加速电压恒定。质子在入口处由静止开始被加速电场加速，经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处由静止开始被同一加速电场加速，为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场，需将磁感应强度增加到原来的 12倍。此离子和质子的质量比约为(　　) A. 11 B. 12 C. 121 D. 144 D　解析：离子在加速电场中运动时，有qU＝mv2，在磁场中偏转时，其半径r＝，由以上两式整理得r＝。由于质子与一价正离子的电荷量相同，B1∶B2＝1∶12，当半径相等时，解得＝144，选项D正确。 知识点2　回旋加速器 3．(多选)如图所示是一个回旋加速器的示意图，其核心部分是两个半圆金属盒，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(H)和氦核(He)，下列说法正确的是(　　) A. 它们的最大速度相同 B. 两次所接高频电源的频率不同 C. 若加速电压不变，则它们的加速次数相等 D. 仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能 AC　解析：根据qvB＝m，得v＝，两粒子的比荷相等，所以它们的最大速度相同，故A正确；带电粒子在磁场中运动的周期T＝＝，两粒子的比荷相等，所以周期和频率相等，故B错误；最大动能Ek＝mv2＝，则加速次数n＝＝，两粒子的比荷相等，加速电压不变，则加速次数相同，选项C正确；根据Ek＝知，仅增大高频电源的频率不能增大粒子的最大动能，故D错误。 4．回旋加速器D形盒中央为质子流，D形盒的交流电压为U，静止的质子经电场加速后，进入D形盒，其最大轨道半径为R，磁场的磁感应强度大小为B，质子质量为m、电荷量为e。求： (1)质子最初进入D形盒的动能； (2)质子经回旋加速器最后得到的动能； (3)交流电源的周期。 解析：(1)质子在电场中加速，由动能定理得 eU＝Ek－0，解得Ek＝eU。 (2)由evB＝m，rm＝R，Ekm＝mv，可解得质子的最大动能Ekm＝。 (3)交流电源的周期与质子在磁场中做圆周运动的周期相同，故交流电源的周期T＝。 答案：(1)eU　(2)　(3) 知识点3　带电粒子在复合场中的运动 5.如图所示为研究某种带电粒子的装置示意图，粒子源射出的粒子束以一定的初速度沿直线射到荧光屏上的O点，出现一个光斑。在垂直于纸面向里的方向上加一磁感应强度大小为B的匀强磁场后，粒子束发生偏转，沿半径为r的圆弧运动，打在荧光屏上的P点；然后在磁场区域再加一竖直向下、电场强度大小为E的匀强电场，光斑从P点又回到O点，关于该粒子(不计重力)，下列说法正确的是(　　) A. 粒子带负电 B. 初速度为v＝ C. 比荷为＝ D. 比荷为＝ D　解析：在垂直于纸面向里的方向上加一磁感应强度为B的匀强磁场后，粒子束打在荧光屏上的P点，根据左手定则可知，粒子带正电，选项A错误；当电场和磁场同时存在时，qvB＝qE，解得v＝，选项B错误；在磁场中，有qvB＝m，可得＝＝，故选项D正确，C错误。 6．已知质量为m的带电液滴，以速度v射入互相垂直的匀强电场和匀强磁场中，电场强度大小为E，磁感应强度大小为B，液滴在此空间刚好能在竖直平面内做匀速圆周运动，如图所示，求： (1)液滴在空间受到几个力作用； (2)液滴带电荷量及电性； (3)液滴做匀速圆周运动的半径。 解析：(1)由于是带电液滴，它必受重力，又处于电磁复合场中，还应受到静电力及洛伦兹力，共3个力。 (2)因液滴做匀速圆周运动，故必须满足重力与静电力平衡，故液滴应带负电，由mg＝qE，求得q＝。 (3)尽管液滴受三个力，但合力等于洛伦兹力，所以qvB＝m，得r＝，把电荷量代入可得 r＝＝。 答案：(1)3个力　(2)　负电　(3) 7.由中国提供永磁体的阿尔法磁谱仪如图所示，它曾由航天飞机携带升空，安装在阿尔法国际空间站中，其主要使命之一是探索宇宙中的反物质。所谓的反物质即质量与正粒子相等，带电荷量与正粒子相等但电性相反，例如反质子即　1－1H，假若使一束质子、反质子、α粒子和反α粒子组成的射线，以相同的速度通过OO′进入匀强磁场(磁感应强度大小为B2)而形成4条径迹，则(　　) A. 1、3是反粒子径迹 B. 2、4是反粒子径迹 C. 1、2为反粒子