假期必刷21 质谱仪与四旋加速器-【快乐假期】2025-2026学年高二物理暑假必刷题

三022 假期必刷21质谱仪与回旋加速器 恢弘志士之气，不宜妄自菲薄。 完成日期： 月 素养解读 A.在E一t图像中应有t4一t3<t3一t2<t2一t 1.带电粒子在质谱仪中的运动： B.加速电压越大，粒子最后获得的动能就越大 (1)加速电场加速：9U= 2 mv: C.粒子加速次数越多，粒子最大动能一定 越大 (2)匀强磁场偏转：gmB=mv D.要想粒子获得的最大动能增大，可增加D 2.回旋加速器：(1)交变电压的周期等于粒子 形盒的面积 在磁场中做匀速圆周运动的周期.(2)已知 3.1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加 D形金半径R,根据R-阳可推出常电粒子 速器，其原理如图所示，这台加速器由两个 铜质D形盒D,、D2构成，其间留有空隙，现 离开加速器时的最大速度=9BR 对氘核(H)加速，所需的高频电源的频率 m (3)粒子每加速一次动能增加gU,故需要加速 为f,已知元电荷为e,下列说法正确的是 的次数n= 咒回旅的次数为 素养训练 1.质谱仪是测量带电粒子 质量和分析同位素的一 种仪器，它的工作原理 世界上第一台回旋加速器 原理图 D· 如图所示，带电粒子（不 A.被加速的带电粒子在回旋加速器中做圆 计重力，初速度为0)经 周运动的周期随半径的增大而增大 同一电场加速后，垂直进入同一匀强磁场做 B.高频电源的电压越大，氚核最终射出回旋 匀速圆周运动，然后利用相关规律计算出带 加速器的速度越大 电粒子质量.虚线为某粒子运动轨迹，由图 可知 心氯装的质量为 A.此粒子带负电 D.该回旋加速器接频率为f的高频电源 B.下极板S2比上极板S,电势高 时，也可以对氨核(He)加速 C.若只减小加速电压U,则半径r变大 D.若只减小入射粒子的质量，则半径r变小 4.质谱仪测定带电粒子质量 2.如图甲所示是用来加速带电粒子的回旋 的装置示意图如图所示.速 P 加速器的示意图，其核心部分是两个D形 度选择器（也称滤速器）中 金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置 电场强度E的方向竖直向 于匀强磁场中，两盒分别与高频交流电源 下，磁感应强度B的方向 P 相连.带电粒子在磁场中运动的动能E 垂直于纸面向里，分离器中磁感应强度B,的 随时间t的变化规律如图乙所示.忽略带 方向垂直于纸面向外.在S处有甲、乙、丙、丁 电粒子在电场中的加速时间，则下列判断 四个一价正离子垂直于E和B,射入速度选择 正确的是 ) 器中，若m甲=mz<n丙=1灯，0甲<v2=丙< T,在不计重力的情况下，打在P、P2、P、P 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 41 飞婴味乐跃翻 90M= 5.(多选)某一具有速度 中不考虑相对论效应和重力的影响.则下列说 选择器的质谱仪原理 速度选择器 法正确的是 如图所示.速度选择 A.质子被加速后的最大速度不可能超过 器中，磁场（方向垂直 偏转分离器。。。·· 2πRf 纸面)与电场正交，磁感应强度为B,,两板 B.质子离开回旋加速器时的最大动能与加 间电压为U,两板间距离为d;偏转分离器 速电压U成正比 中，磁感应强度为B2,磁场方向垂直纸面向 C.质子第2次和第1次经过两D形盒间狭 外.现有一质量为m、电荷量为g的粒子（不 缝后轨道半径之比为2：1 计重力)，该粒子以某一速度恰能匀速通过 D.不改变磁感应强度B和交流电频率f, 速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周 质子离开回旋加速器的最大动能不变 运动，最终打在感光板A,A2上.下列说法 素养培优 正确的是 8.(科技情境)回旋加速器D形盒中央为质子 A.粒子带负电 源，D形盒的交流电压为U,静止质子经电 B.速度选择器中匀强磁场的方向垂直纸面 场加速后，进入D形盒，其最大轨道半径为 向外 R,磁场的磁感应强度为B,质子质量为、 C.带电粒子的速率等于B 电荷量为e.求： D.粒子进入分离器后做匀速圆周运动的半 (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； 径等于mU qdB B, (3)交流电源的周期 6.如图所示为质谱仪的原 理示意图，现让某束离子 M- (可能含有多种离子)从 53x××X×× 容器A下方的小孔无初 BR安Xx为X× ××X××××× 速度飘入电势差为U的加速电场，经电场 加速后垂直进入磁感应强度大小为B的匀 强磁场中，在照相底片上形成a、b两条“质 谱线”，则下列判断正确的是 () A.a、b谱线对应的离子均带负电 B.a谱线对应的离子的质量较大 C.b谱线对应的离子的质量较大 D.a谱线对应的离子的比荷较大 7.(多选)劳伦斯和利文斯设 计出回旋加速器，工作原理 示意图如图所示.置于真空 中的D形金属盒半径为R, 离子 两盒间的狭缝很小，带电粒出口处」 子穿过的时间可忽略.磁感应强度为B的匀强 磁场与盒面垂直，高频交流电频率为∫，加速电 压为U.若A处粒子源产生的质子质量为、 电荷量为十9，在加速器中被加速，且加速过程 42三0022. 则最短时同有1=2T-铝，数C错误：D粒子从A点射入 到从C点射出圆形区域用时最短，则轨迹如图②所示 图② 设粒子在磁场中运动的半径为r,根据几何关系可知r =BR 3 根据洛伦兹力提候向心力有B=m号，可得。- 317m 故D正确.] 假期必刷21 素养训练 1.D[由粒子在磁场中向左偏转，根据左手定则可知，该粒子 带正电，故A错误：带正电粒子经过电场加速，则下极板S 比上极板S,电势低，故B错误：根据动能定理可得gU= 1 m,根据洛伦兹力提供粒子做圆周运动所需的向心力可 得B=m号莱立解得=B√②，若只减小加电电压 U,则半径r减小，故C错误；若只减小粒子的质量，则半径x 减小，故D正确.] 2.D[带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期与速度 大小无关，因此，在E一t图像中应有t4一t=t一12=2 t,A错误；粒子获得的最大动能与加速电压无关，加速电压 越小，粒子加速次数就越多，由粒子做圆周运动的半径”= 吧-②正可知E,=,即粒子茨得的最大动能取决 gB aB 2m 于D形盒的半径，当轨道半径r与D形盒半径R相等时就 不能继续加速，故B、,C错误，D正确.] 3.C[根据周期公式T-可知，被加速的带电粒子在回谈 加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而不变，A错误； 设D形盒的半径为R,则最终射出回旋加速器的速度满足 B="尺，即有。RB最终射出回茂加速器的连度与领 率无关，B错误：根据周期公式T=2可知m=TB eB 2π 、,C正确；因为氚核(H)与氨核(GHe)的荷质比不同，所 以不能用来加速氦核(He).D错误.] 4.B[对打在P1点的离子，有qB,<qE,v最小，故为甲离 子：对打在P2点的离子，有qB,>qE,v最大，故为丁离子： 打在P点的离子与打在P,点的离子相比，r<r,由r= B,又=可知打在P,点的离子的小，即为乙离 子，打在P,点的离子为丙离子，故选项B正确.] 5.BCD[粒子在磁场中向左偏转，根据左手定则可知粒子带 正电，A错误；由于粒子带正电，受电场力向右，因此受洛伦 兹力向左，根据左手定则，在速度选择器中，匀强磁场的方向 垂直纸面向外，B正确；根据qB,=qE,又U=Ed,可知带电 粒子的建率u一店，C正确：根据9B,-m可可得粒子微匀 U 速圆周运动的半径r=m0 qdB,BD正确.] 6.D[根据离子在磁场中的偏转方向，结合左手定则可知a、b 谱线对应的离子均带正电，选项A错误；离子在电场中被加 速过程，由动能定理得gU=2m,在磁场中离子做匀速圆 1 高二物理) 周运动，洛伦蓝力提供向心力，有gB=m,解得r 2mU,即落点距离只与离子的比荷有关，r越小，比荷号越 B g 大，则a谱线对应的离子的比荷较大，但因离子所带电荷量可能 不同，因此无法比较离子的质量大小，选项D正确，B、C错误.] T.AC[质子被加速后的最大速度受到D形盒半径R的制 约，因02=2xR,A正确：质子离开回旋加速器的最大 T 动能E-2md=2mX4xRf=2mrR,与加造电 压U无关，B错误：根据r=m, -g8gU=2m90=2m6 2m听，联立解得质子第2次和第1次经过两D形盒间秩缝 后轨道半径之比为√2：1，C正确；质子离开回旋加速器的最 大动能Ex=2mxRf,与m、R、∫均有关，D错误.] 素养培优 8.解析：(1)质子在电场中加速，由动能定理得 eU=E一O,解得E=eU. (2)质子在回旋加速器的磁场中绕行的最大半径为R,由牛 顿第二定律得 evB=m R' ① 质子的最大动能E=弓m, ② 解①@得E=tBR 2m (3)由回旋加速器的工作原理知，交流电源的周期等于质子 在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期，即T=2” eB 答案：(1)eU(2)eBR 2m 假期必刷22 素养训练 1.CD[粒子的运动轨迹如图所示，根据 类平档运功推论有上-n60,解 得P与0的距离5=2,5L,A错误：由 3 =2Rm60,解得R=号LB错送：根 0 1 据5=1，l一合af,ai=%m60gB-m,品=大，联立解得双 =子VL=号V6L.C正确：子在P点的合连度 亚，D正确] 心=由R=号1一-需每#B气 2.C[微粒沿OA做直线运动，则垂直 qvB --- OA方向上合力一定为零，由于F= gB与OA垂直，故微粒做匀速直线运 50 动，B错误； 由平衡条件知，微粒受的洛伦兹力垂 直OA斜向左上方，由左手定则可知，， 微粒带负电，A错误；微粒受力分析如 图所示，根据平衡条件得gE=mgtan0,mg=quBcos0,由以 9c0s0,电场的电场 上两式解得磁场的磁感应强度大小B=mg。 强度E=mgtan0,C正确，D错误.] 3.BD[带电微粒在重力场、匀强电场和匀强磁场中做匀速圆 周运动，可知带电微粒受到的重力和静电力是一对平衡力， 重力竖直向下，所以静电力竖直向上，与电场方向相反，故可 知该微粒带负电，A错误；磁场方向向外，洛伦兹力的方向始 终指向圆心，由左手定则可判断微粒的旋转方向为逆时针 (四指所指的方向与带负电的微粒的运动方向相反)，B正