1.4 质谱仪与回旋加速器 同步练习-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

1.4 质谱仪与回旋加速器 同步练习 学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________ 一、单选题 1．下列四幅图分别是等离子体发电机、质谱仪、回旋加速器、速度选择器的示意图，进入装置的带电粒子重力均不计，下列说法正确的是（　　） A．图甲中板是电源的负极 B．图乙中粒子打在照相底片上的位置越靠近，粒子的比荷越小 C．图丙中若增大回旋加速器的加速电压，粒子获得的最大动能增大 D．图丁中从左侧射入的带电粒子，若能沿直线射出，其速度大小为 2．如图所示是电磁流量计的示意图。圆管由非磁性材料制成，空间有匀强磁场。当管中的导电液体流过磁场区域时，测出管壁上MN两点的电动势E，就可以知道管中液体的流量q——单位时间内流过管道横截面的液体的体积。已知管的直径为d，磁感应强度为B，则关于q的表达式正确的是（　　） A． B． C． D． 3．质谱仪的工作原理图如图所示，若干电荷量均为+q（q>0）而质量m不同的带电粒子经过加速电场加速后，垂直电场方向射入速度选择器，速度选择器中的电场E和磁场B1的方向都与粒子速度的方向垂直，且电场E的方向也垂直于磁场B1的方向。通过速度选择器的粒子接着进入匀强磁场B2中，沿着半圆周运动后到达照相底片上形成谱线。若测出谱线到狭缝P的距离为x，不计带电粒子受到的重力和带电粒子之间的相互作用，则下列说法正确的是（　　） A．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里 B．这些带电粒子通过狭缝P的速率都等于EB1 C．x与这些带电粒子的质量m成正比 D．x越大，带电粒子的比荷越大 4．如图所示，有一束混合粒子从左到右射入匀强磁场B1和匀强电场E共存的区域，发现这些粒子不偏转，进入另一匀强磁场B2中发现它们分成几束，不计各粒子重力和它们之间的作用力，粒子束分开的原因一定是它们的（　　） A．速度不同 B．质量不同 C．比荷不同 D．电荷量不同 5．如图，空间某区域存在匀强电场和匀强磁场，电场方向竖直向上（与纸面平行），磁场方向垂直于纸面向里。三个带正电的微粒a、b、c电荷量相等，质量分别为、、。已知在该区域内，a在纸面内做匀速圆周运动，b在纸面内向右做匀速直线运动，c在纸面内向左做匀速直线运动。下列选项正确的是（　　） A． B． C． D． 6．如图所示，绝缘底座上固定一电荷量为8×10－6C的带负电小球A，其正上方O用轻细弹簧悬挂一质量m＝0.06kg、电荷量大小为2×10－6C的小球B，弹簧的劲度系数k＝5N/m，原长L0＝0.3m。现小球B恰能以A球为圆心在水平面内做顺时针方向（从上往下看）的匀速圆周运动，此时弹簧与竖直方向的夹角＝53°。已知静电力常量k＝9.0×109N·m2/C2，sin53°＝0.8，cos53°＝0.6，g＝10m/s2，两小球都视为点电荷。则下列说法不正确的是（　　） A．B匀速圆周运动的半径为0.4m B．小球B所受向心力为1.7N C．在图示位置若突然在B球所在范围内加上水平向左的匀强电场的瞬间，B球做离心运动 D．在图示位置若突然在B球所在范围内加上竖直向下的匀强磁场的瞬间，B做向心运动 7．如图所示，有理想边界的匀强磁场方向垂直纸面向外，磁感应强度大小为B，某带电粒子的比荷(电荷量与质量之比)大小为k，由静止开始经电压为U的电场加速后，从O点垂直射入磁场，又从P点穿出磁场．下列说法正确的是(不计粒子所受重力) A．如果只增加U，粒子可以从dP之间某位置穿出磁场 B．如果只减小B，粒子可以从ab边某位置穿出磁场 C．如果既减小U又增加B，粒子可以从bc边某位置穿出磁场 D．如果只增加k，粒子可以从dP之间某位置穿出磁场 二、多选题 8．按照十八大“五位一体”的总体布局，全国各省市启动“263”专项行动，打响碧水蓝天保卫战。暗访组在某化工厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，测量管由绝缘材料制成，水平放置，其长为 L、直径为 D，左右两端开口，匀强磁场方向竖直向上，在前后两个内侧面 a、c 固定有金属板作为电极，污水充满管道从左向右流经测量管时，a、c 两端电压为 U，显示仪器显示污水流量为 Q（单位时间内排出的污水体积）。则下列说法正确的是（　　） A．a 侧电势比 c 侧电势高 B．若污水中正离子较多，则 a 侧电势比 c 侧电势高；若污水中负离子较多，则 a 侧电势比 c 侧电势低 C．污水流量 Q 与 U 成正比，与 D 无关 D．污水流量 Q 与 U 成正比，与 L 无关 9．如图所示是显像管的原理示意图。偏转线圈通电后会产生磁场，电子枪射出的高速电子束，经过偏转线圈时会发生偏转，打在荧光屏上，电子重力忽略不计。下列说法正确的是（　　） A．电子经过偏转线圈的过程动能不会变化 B．电子经过偏转线圈的过程做类平抛运动 C．增大偏转线圈电流，电子束向点靠近 D．若电子束打在点，则偏转线圈磁场垂直纸面向外 10．如图所示，图甲为磁流体发电机原理示意图，图乙为质谱仪原理图，图丙和图丁分别为速度选择器和回旋加速器的原理示意图，忽略粒子在图丁的D形盒狭缝中的加速时间，下列说法正确的是（　　） A．图甲中，将一束等离子体喷入磁场，A、B板间产生电势差，B板电势高 B．图乙中，粒子打在A1A2上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越大 C．图丙中，带电粒子（不计重力）能够从Q向P沿直线匀速通过速度选择器 D．图丁中，随着粒子速度的增大，交变电流的频率也应该增大 三、填空题 11．2023年11月，中国原子能科学研究院“BNCT强流质子回旋加速器样机研制”顺利通过技术验收。如图所示，该回旋加速器两D形盒接 （选填“直流”或“交流”）电源，窄缝区域存在 （选填“周期性变化”或“均匀不变”）的电场，使带电粒子经过该区域时被加速。 12．如图所示是医用回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频交流电源相连，保持回旋加速器中所加磁场不变，分别加速氚核和氦核，则加速氚核和氦核时所加高频电源的频率大小是 （选填：“相同”或“不同”）的，氚核和氦核的最大速度之比为 。 四、解答题 13．如图所示，相距为D、板间电压为U的平行金属板M、N间有垂直纸面向里、磁感应强度为B0的匀强磁场；在pOy区域内有垂直纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场；pOx区域为无场区．一正离子沿平行于金属板、垂直磁场射入两板间并做匀速直线运动，从H（0，A）点垂直y轴进入第Ⅰ象限，经Op上某点离开磁场，最后垂直x轴离开第Ⅰ象限．求：    （1）离子在金属板M、N间的运动速度； （2）离子的比荷； （3）离子在第Ⅰ象限的磁场区域和无场区域内运动的时间之比． 14．如图所示，两金属板MN平行放置，金属板右侧的矩形区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场，P、Q分别为ad边和bc边的中点，ab=3cm，ad=2cm，金属板与矩形区域的轴线PQ垂直。比荷为5×105C/kg的粒子在M板附近自由释放，经两板间电压U=100V加速后，穿过N板上的小孔，沿轴线PQ进入磁场区域，并由b点离开磁场。不计粒子重力，求： (1)粒子进入磁场的速度的大小； (2)矩形磁场中磁感应强度的大小。 试卷第1页，共3页 试卷第1页，共3页 学科网（北京）股份有限公司 《1.4 质谱仪与回旋加速器 同步练习》参考答案 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 A B C C B D D AD AD AB 1．A 【详解】A．根据左手定则可以判断等离子体中正电荷向B极板偏转，负电荷向A极板偏转，故A为电源负极，故A答案正确； B．电荷在电场中加速，由动能定理可得 到磁场后 又由 解得 即比荷越大，d越小，故B答案错误； C．回旋加速器的最大速度由D型盒的半径决定，故C答案错误； D．图丁中从左侧射入的带电粒子，若能沿直线射出，则有 则速度大小为,故D答案错误； 故选A。 2．B 【详解】最终正负电荷在电场力和洛伦兹力的作用下处于平衡，有 qvB=q 则 v= 流量 q=vS= 故选B。 3．C 【详解】AB．带电粒子在速度选择器中做匀速直线运动，受到的电场力和洛伦兹力二力平衡，即 解得 结合左手定则可知，速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外，选项AB错误； C．带电粒子进入磁场后做匀速圆周运动，根据几何关系有 即 这些粒子带电量相同，x与这些带电粒子的质量m成正比，故C正确； D．带电粒子进入磁场后做匀速圆周运动，根据几何关系有 也可写成 x与比荷成反比，x越大，说明带电粒子的比荷越小，故D错误。 故选C。 4．C 【详解】粒子在磁场和电场正交区域里不偏转，粒子所受电场力和洛伦兹力平衡，则有 即不发生偏转的粒子具有共同的速度大小为 进入磁场区，根据牛顿第二定律则有 解得 进入磁场区分开，轨迹半径不同，可知这些粒子比荷不同，不能判断质量与电荷量是否相同，故A、B、D错误，C正确； 故选C。 5．B 【详解】带正电的微粒a在纸面内做匀速圆周运动，必有 带正电的微粒b向右做匀速直线运动，电场力竖直向上，左手定则判断洛伦兹力竖直向上，重力竖直向下，平衡条件得 得 带正电的微粒c向左做匀速直线运动，电场力竖直向上，左手定则判断洛伦兹力竖直向下，重力竖直向下，平衡条件得 得 可得 故选B。 6．D 【详解】AB．小球A、B的库仑力 弹簧弹力为T，小球B在竖直方向上，有 弹簧的弹力在水平方向的分力 由胡克定律 可解得 小球B做匀速圆周运动，所受合外力指向圆心A有，则F必定指向圆心，故B球带正电，小球B所受向心力 故AB正确，不符合题意； C．在图示位置加上水平向左的匀强电场的瞬间，小球B受到向左的电场力，这时提供的向心力减小，小于所需要的向心力，小球做离心运动，故C正确，不符合题意； D．在图示位置加上竖直向下的匀强磁场的瞬间，由于小球做顺时针运动，且带正电，由左手定则可知，小球受到一个背离圆心的洛伦兹力作用，这时提供的向心力小于需要的向心力，小球做离心运动，故D错误，符合题意。 故选D。 7．D 【详解】设粒子被电场加速后的速度为v，在磁场中运动的半径为R，则电场加速过程，有，在磁场中有，，联立得.如果只增大U，半径R增大，选项A错误；如果只减小B，半径R增大，粒子向下偏，不可能从ab边某位置穿出磁场，选项B错误；如果既减小U又增加B，半径R减小，粒子不可能从bc边某位置穿出磁场，选项C错误；如果只增加k，半径R减小，粒子可从dP之间某位置穿出磁场，选项D正确． 8．AD 【详解】AB．污水中的正负离子，在洛伦兹力作用下发生偏转，正离子向右偏转到a端，负离子向左偏转到c端，故a侧电势比c侧电势高。与污水中正负离子的数量没有关系。故A正确；B错误； CD．当电场力与洛伦兹力平衡时，有 流量为 联立，可得 污水流量 Q 与 U 成正比，与 L 无关。故C错误；D正确。 故选AD。 9．AD 【详解】AB．电子经过偏转线圈受洛伦兹力作用，做匀速圆周运动，动能不变，故A正确，B错误； C．根据 得 增大偏转线圈电流，则磁场变强，电子运动半径减小，电子束远离点，故C错误； D．电子在负电，根据左手定则，偏转线圈磁场垂直纸面向外，故D正确。 故选AD。 10．AB 【详解】A．图甲是磁流体发电机，将一束等离子体喷入磁场，根据左手定则可知，正电荷向B板偏转，负电荷向A板偏转，B板电势高，A正确； B．通过速度选择器后，所有的粒子速度相同，进入磁场中，根据 可知粒子打在A1A2上的位置越靠近狭缝P，轨道半径越小，因此比荷越大，B正确； C．图丙中，根据左手定则和带电粒子在电场中受力可知，带电粒子（不计重力）必须从P向Q沿直线匀速通过速度选择器，C错误； D．由于带电粒子在磁场中运动周期 可知，粒子运动周期与运动速度无关，因此虽然粒子速度的增大，但交变电流的频率保持不变，D错误。 故选AB。 11． 交流 周期性变化 【详解】[1]回旋加速器连接的是交流电源，故填“交流”。 [2]两个D形盒之间的窄缝区域存在高频交变的电场。故填“周期性变化”。 12． 不同 2:3 【详解】[1]回旋加速器的高频电源的周期和粒子圆周运动的周期相同，带电粒子在磁场中运动得周期为 两个粒子的周期之比为 则频率之比为 故填不同； [2]根据洛伦兹力提供向心力 得 得氚核和氦核的最大速度之比 故填2:3。 13．（1）（2）（3） 【详解】（1）设带电粒子的质量为m、电量为q，在平行金属板间的运动速度为v，平行金属板间的场强为E0 依题意，有qvB0=qE0① 又M，N间为匀强电场，有② 联立①②解得③ （2）带电粒子进入POy区域，做匀速圆周运动，设轨道半径为r，有④ 依题意带电粒子进入第I象限转过1/4圈后从OP上离开磁场，如图，由几何关系得A-r=rtAn45° ⑤ 联立③④⑤得：⑥    （3）匀速圆周运动的周期⑦ 带电粒子在磁场中的运动时间⑧ 离子从C出来后做匀速直线运动，设经过x轴上的D点，如图，由几何关系有CD=A-r ⑨ 从C到D的时间为⑩ 联立③⑤⑦⑧⑨⑩得 14．(1)v=104 m/s ；(2) 0.4T 【详解】(1)在电场中加速过程中，根据动能定理可得 解得 v= 104 m/s (2)粒子在磁场中运动轨迹如图所示，根据几何关系可得 R2=(3L）2+（R-L）2 解得 R=5L 根据洛伦兹力提供向心力可得 解得   B= 0.4T 答案第1页，共2页 答案第1页，共2页 学科网（北京）股份有限公司 $