(教参)高效作业 第一章 4 质谱仪与回旋加速器-【精彩三年】2023-2024学年新教材高中物理选择性必修第二册课程探究与巩固教师用书word+课件PPT（人教版，浙江专用）

高效作业7 [4　质谱仪与回旋加速器](见学生用书P93) [A级　新教材落实与巩固] 1．质谱仪的原理如图所示，离子源S产生一个质量为m、电荷量为q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U加速，进入磁感应强度大小为B的匀强磁场，沿着半圆周运动最后到达照相底片P上，测得它在P上的位置到入口处S1的距离为x。若某离子通过上述装置后，测得它在P上的位置到入口处S1的距离大于x，则下列说法正确的是(　D　) A．离子的质量一定变大 B．加速电压U一定变大 C．磁感应强度B一定变大 D．离子所带电荷量q可能变小 解析：在加速电场中，根据动能定理有qU＝mv2，解得v＝。进入磁场后，有qvB＝m，又x＝2R，所以x＝＝＝。可以看出，x变大，可能是因为m变大、U变大、q变小或B变小，故D正确，A、B、C错误。 2．质谱仪最初是由汤姆孙的学生阿斯顿设计的，他利用质谱仪发现了氖20和氖22，证实了同位素的存在。如图所示，容器A中有质量分别为m1、m2，电荷量相同的氖20和氖22两种离子(不考虑离子的重力及离子间的相互作用)，它们从容器A下方的小孔S1不断飘入电压为U的加速电场(离子的初速度可视为0)，沿竖直线S1S2(S2为小孔)以与磁场垂直的方向进入磁感应强度大小为B的匀强磁场中，最后打在水平放置的底片上。由于实际加速电压的大小在U±ΔU范围内微小变化，这两种离子在磁场中运动的轨迹可能发生交叠，为使它们的轨迹不发生交叠，应小于(　C　) A． B． C． D． 解析：离子在电场中加速，由动能定理得qU＝mv2，在磁场中做匀速圆周运动，由牛顿第二定律得qvB＝，解得R＝。氖20的最大运动半径R1＝，氖22的最小运动半径R2＝，若两轨迹不发生交叠，则有R1<R2，联立解得<，故选C。 3．关于下列四幅图的说法正确的是(　D　) 　　 　　 A．图甲是回旋加速器的示意图，要想使带电粒子获得的最大动能增加，可增大加速电压 B．图乙是磁流体发电机的示意图，可以判断出B极板是发电机的负极，A极板是发电机的正极 C．图丙是速度选择器的示意图，若带电粒子(不计重力)能自左向右沿直线匀速通过速度选择器，那么也能自右向左沿直线匀速通过速度选择器 D．图丁是质谱仪的示意图，粒子打在底片上的位置越靠近狭缝S3，说明粒子的比荷越大 解析：设回旋加速器D形盒的半径为R，粒子获得的最大速度为vm，根据牛顿第二定律有qvmB＝m，解得vm＝，由上式可知粒子获得的最大速度与加速电压无关，所以无法通过增大加速电压使带电粒子获得的最大动能增加，故A错误；根据左手定则可知等离子体中正电荷向B板偏转，负电荷向A板偏转，所以A极板是发电机的负极，B极板是发电机的正极，故B错误；粒子自左向右沿直线匀速通过速度选择器时，所受洛伦兹力与静电力方向相反，当粒子自右向左进入速度选择器时，其所受静电力方向不变，而洛伦兹力方向相反，因此粒子不能自右向左沿直线匀速通过速度选择器，故C错误；粒子打在底片上的位置到狭缝S3的距离为d＝2r＝，穿过速度选择器的粒子的速度都相同，根据上式可知d越小，粒子比荷越大，故D正确。 4．质谱仪的工作原理如图所示。带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内正交的匀强磁场和匀强电场的磁感应强度大小和电场强度大小分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2。平板S下方有磁感应强度大小为B0的匀强磁场。下列表述正确的是(　C　) A．该带电粒子带负电 B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里 C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于 D．粒子打在胶片上的位置越远离狭缝P，粒子的比荷越大 解析：根据题图，由左手定则可以知道粒子带正电，选项A错误；粒子带正电，在速度选择器中所受静电力方向向右，则所受洛伦兹力方向向左，由左手定则可判断磁场方向垂直纸面向外，选项B错误；由qE＝qvB得v＝，此速率的粒子在速度选择器中受力平衡，可沿直线运动，选项C正确；由qvB0＝可得＝，v、B0相等，可知比荷越小，R越大，粒子打在胶片上的位置越远离狭缝P，选项D错误。 5．质谱仪的结构原理图如图所示，带有小孔的两个水平极板S1、S2间有垂直极板方向的匀强电场，圆筒N内可以产生质子和氚核，它们由静止进入极板间，经极板间的电场加速后进入下方的匀强磁场，在磁场中运动半周后打到底片P上。不计质子和氚核的重力及它们间的相互作用。下列判断正确的是(　D　) A．质子和氚核在极板S1、S2间运动的时间之比为∶1 B．质子和氚核在磁场中运动的时间之比为1∶ C．质子和氚核在磁场中运动的速率之比为1∶ D．质子和氚核在磁场中运动的轨迹半径之比为1∶ 解析：粒子在电场中做初速度为0的匀加速直线运动，则有d＝·t2，