2019-2020年高中物理 质谱仪和回旋加速器同步练习（含解析）新人教版选修3.doc

2019-2020年高中物理 质谱仪和回旋加速器同步练习（含解析）新人教版选修31现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应加速器就是电子加速的设备。它的基本原理如图所示，上、下为电磁铁的两个磁极，磁极之间有一个环形真空室, 电子在真空室中做圆周运动。电磁铁线圈电流的大小、方向可以变化。上图为侧视图，下图为真空室的俯视图，如果从上向下看, 电子沿逆时针方向运动。以下分析正确的是( ) A变化的磁场在真空室内形成感生电场使电子加速B变化的电场在真空室内形成磁场使电子加速C当电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时, 为使电子加速, 电磁铁中的电流应该由小变大D当电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时, 为使电子加速, 电磁铁中的电流应该由大变小2速度相同的一束粒子，由左端射入速度选择器后，又进入质谱仪，其运动轨迹如图所示，则下列说法中正确的是（ ）A该束带电粒子带负电 B能通过狭缝S0的带电粒子的速率等于E/B2C若保持B2不变，粒子打在胶片上的位置越远离狭缝S0，粒子的比荷q/m越小D若增大入射速度，粒子在磁场中轨迹半圆将变大31932年，劳伦斯和利文斯设计出了回旋加速器.回旋加速器的工作原理如图所示，置于高真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计.磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直.A处粒子源产生的粒子，质量为m、电荷量为+q ，在加速器中被加速，加速电压为U. 实际使用中，磁感应强度和加速电场频率都有最大值的限制.若某一加速器磁感应强度和加速电场频率的最大值分别为Bm、fm，加速过程中不考虑相对论效应和重力作用A粒子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比：1B粒子从静止开始加速到出口处所需的时间C如果fm，粒子能获得的最大动能为D如果fm，粒子能获得的最大动能为4如图为回旋加速器的结构示意图，两个半径为R 的D形金属盒相距很近，连接电压峰值为UM、频率为的高频交流电源，垂直D形盒的匀强磁场的磁感应强度为B。现用此加速器来加速电荷量分别为+0.5q、+q、+2q，相对应质量分别为m、2m、3m的三种静止离子，最后经多次回旋加速后从D形盒中飞出的粒子的最大动能可能为A B C D5英国物理学家阿斯顿因首次制成质谱仪，并用此对同位素进行了研究，因此荣获了1922年的诺贝尔化学奖。若速度相同的同一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列相关说法中正确的是A该束带电粒子带正电B速度选择器的P1极板带负电C在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大D.在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷小61932年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个D形盒D1、D2构成，它们之间留有窄缝，在窄缝间有电势差，形成电场，离子在此窄缝中被加速，进入磁场后做匀速圆周运动，回到窄缝时电场方向变换离子又被加速，依次循环.。下列说法正确的是A离子在加速器D形盒D1中运动的周期比在D2中的大B在两个D形盒D1、D2之间加有周期性变化的电场C离子从电场中获得能量D离子从磁场中获得能量7加速器是使带电粒子获得高能量的装置，下图是回旋加速器的原理图，由回旋加速器的工作原理可知A随着速度的增加，带电粒子走过半圆的时间越来越短B带电粒子获得的最大速度是由交变电场的加速电压决定的C交变电场的频率跟带电粒子的荷质比成正比D不同的带电粒子在同一回旋加速器中运动的总时间相同8英国物理学家阿斯顿首次制成了质谱仪，并用它确定了同位素的普遍存在。若两种带电粒子a、b(不计重力)由S1射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列说法中正确的是S1P2P1abA两种粒子都带负电B金属板P1、P2间电场方向水平向左Cb粒子的速度大于a粒子的速度Da粒子的比荷大于b粒子的比荷9如图所示为质谱仪的工作原理示意图，带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器，速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为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下方有强度为B0的匀强磁场。下列表述错误的是（ ）A质谱仪是分析同位素的重要工具B能通过的狭缝P的带电粒子的速率等于E/BC粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷q/m越大D速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里10回旋加速器是获得高能带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源的两极相连的两个D形盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示，关于回旋加速器的下列说法正确的是( )A狭缝间的电场对粒子起加速作用，因此加速电压越大，带电粒子从D形盒射出时的动能越大B磁场对带电粒子的洛仑兹力对粒子不做功，因此带电粒子从D形盒射出时的动能与磁场的强弱无关C带电粒子做一次圆周运动，要被加速两次，因此交变电场的周期应为圆周运动周期的二倍D用同一回旋加速器分别加速不同的带电粒子，一般要调节交变电场的频率11（单选）1922年英国物理学家阿斯顿因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖。若一束粒子由左端射入质谱仪后的运动轨迹如图所示，则下列说法中正确的是：（ ）A该束带电粒子带负电 B速度选择器的P1极板带负电 C在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大 D在B2磁场中运动半径越大的粒子，比荷越小12（多选）回旋加速器是利用较低电压的高频电源使粒子经多次加速获得巨大速度的一种仪器，工作原理如图，下列说法正确的是（ ）A粒子在磁场中做匀速圆周运动B粒子由A0运动到A1比粒子由A2运动到A3所用时间少C粒子的轨道半径与它的速率成正比D粒子的运动周期和运动速率成正比13回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场，使粒子在通过狭缝时都能得到加速，两D形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中，如图所示。设D形盒半径为R。若用回旋加速器加速质子时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流电频率为f , 则下列说法正确的是（ ）A质子在匀强磁场每运动一周被加速一次B质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小有关C质子被加速后的最大速度不可能超过2fRD不改变B和f，该回旋加速器也能用于加速粒子14如图是质谱仪的工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为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下方有强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是A质谱仪是分析同位素的重要工具B速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C能通过的狭缝P的带电粒子的速率等于E/BD粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小 15如图是质谱仪工作原理示意图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相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为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A1A2S下方有磁感应强度为B0的匀强磁场下列表述正确的是（ ）A质谱仪是分析同位素的重要工具B速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外C速度选择器只能一种电性，且速度等于的粒子D带电量相同的粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的质量越大16回旋加速器的工作原理如图所示，置于真空中的D型金属盒半径为R，两金属盒间的狭缝很小，磁感应强度为B的匀强磁场与金属盒盒面垂直，高频交流电的频率为f、电压大小恒为U，若中心粒子源放射出的质子质量为m，电量为+e，从静止开始在加速器中被加速不考虑相对论效应和重力作用，则下列说法正确有A若该加速器能实现对质子的加速，则上述物理量必须满足B若该加速器能实现对质子的加速，则上述物理量必须满足C质子最终由加速器加速获得的最大速度随电压U的增大而增大D质子最终由加速器加速获得的最大速度随磁感应强度B的增大而增大17回旋加速器是加速带电粒子的装置，其主体部分是两个D形金属盒。两金属盒处在垂直于盒底的匀强磁场中，a、b分别与高频交流电源两极相连接，下列说法正确的是A离子从磁场中获得能量B离子从电场中获得能量C增强磁感应强度可以使粒子射出时的动能增加D增大金属盒的半径可使粒子射出时的动能增加18关于回旋加速器加速带电粒子所获得的能量，下列说法正确的是（ ）A与加速器的半径有关，半径越大，能量越大B与加速器的磁场有关，磁场越强，能量越大C与加速器的电场有关，电场越强，能量越大D与带电粒子的质量有关，质量越大，能量越大19速度相同的一束粒子由左端射入质谱仪后分成甲、乙两束，其运动轨迹如图所示，其中S0AS0C，则下列说法正确的是()A甲束粒子带正电，乙束粒子带负电B甲束粒子的比荷大于乙束粒子的比荷C能通过狭缝S0的带电粒子的速率等于D若甲、乙两束粒子的电荷量相等，则甲、乙两束粒子的质量比为3220回旋加速器是用来加速带电粒子的装置，如图所示，它的核心部分是两个D形金属盒，两盒相距很近，分别和高频交流电源相连接，在两盒间的窄缝中形成交变电场，使带电粒子每次通过窄缝都得到加速。两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，通过两盒间的窄缝时反复被加速，直到达到最大圆周半径时通过特殊装置被引出，如果用同一回旋加速器分别加速氚核（H）和粒子（He），比较它们所加的高频交流电源的周期和获得的最大动能的大小，可知A. 加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能较小B. 加速氚核的交流电源的周期较大，氚核获得的最大动能也较大C. 加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能也较小D. 加速氚核的交流电源的周期较小，氚核获得的最大动能较大参考答案1AC【解析】试题分析：根据法拉第电磁感应定律可知，变化的磁场在真空室内形成感生电场，而电场能使电子加速，选项A正确；因洛伦兹力对电荷不做功，故选项B错误；当电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时，线圈中的电流增强，磁场就增大了，根据楞次定律，感生电场产生的磁场要阻碍它增大所以感生电场为顺时针方向，即电流方向顺时针，所以电子运动逆时针方向电场力作用下加速运动，洛伦兹力约束下做圆周运动，选项C正确，D错误；故选AC.考点：楞次定律.2C【解析】试题分析：粒子在质谱仪中向下偏转，由左手定则知粒子带正电，选项A错误；粒子进入速度选择器中时，qv0B1=qE，得，选项B错误；粒子进入匀强磁场B2中受到洛伦兹力而做匀速圆周运动，由牛顿第二定律得得，离狭缝S0越远粒子的半径就越大，由于v0是一定的，B2不变，半径r越大，则越小，选项C正确；若增大入射速度，粒子将不能通过S0进入质谱仪区域，选项D错误。考点：本题旨在考查速度选择器、质谱仪的工作原理。3ABD【解析】试题分析：设粒子第1次经过狭缝后的半径为r1，速度为v1,由动能定理得，在磁场中做匀速圆周运动，解得 同理，粒子第2次经过狭缝后的半径 则故A选项正确；粒子做匀速圆周运动的最大半径是D行盒的半径R，则粒子的最大速度根据，获得的最大动能为，设粒子到出口处被加速了n圈，由动能定理，解得，再由粒子做匀速圆周运动的周期为，所以粒子运动的时间为，故B选项正确；加速电场的频率应等于粒子在磁场中做圆周运动的频率，即，当磁场感应强度为Bm时，加速电场的频率应为，粒子的动能，当时，粒子的最大动能由Bm决定，解得，当时，粒子的最大动能由fm决定，解得 ,故D选项正确。考点：回旋加速器 动能定理4B【解析】试题分析：根据，则三种粒子在磁场中运动的周期分别为：；因为加速电场的频率为，则前两种粒子都可以在加速器中不断的被加速，最后从D形盒中飞出，带电粒子从D形盒中飞出时的最大半径等于D形盒的半径，则，最大动能为：；则两种粒子的最大动能分别为：；则从D形盒中飞出的粒子的最大动能可能为，选项B正确.考点：回旋加速器.5AD【解析】试题分析：根据粒子在磁场中的运动轨迹，由左手定则可知，粒子带正电，选项A正确；粒子在正交场中，受向上的洛伦兹力，故电场力向下，即速度选择器的P1极板带正电，选项B错误；根据可知，在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量与电荷量的比值越大，或者比荷越小，选项C错误，D正确；故选AD.考点：质谱仪。6BC【解析】试题分析：在加速器D形盒中两个区域磁场强度相同，粒子在D1中运动的周期与D2中的周期相同（），故A错误；在两个D形盒D1、D2之间加有周期性变化的电场，使粒子可以在电场力的作用下不断加速，故BC正确；粒子在磁场中所受洛伦兹力始终与粒子运动方向垂直，洛伦兹力不做功，故D错误。考点：本题考查了回旋加速器的原理7CD【解析】试题分析：带电粒子在磁场中运动的周期可知粒子运动的周期与运动的速度无关，A错误；粒子最后离开磁场是时，运动的轨道半径与D形盒的半径相等，根据，可知离开磁场时的速度，与加速度电压的大小无关，B错误，带电粒子在磁场中运动的频率与交变电场的频率相等，大小为，因此交变电场的频率跟带电粒子的荷质比成正比，C正确；粒子在回旋加速器中被加速的过程，而，因此粒子在回旋加速器中运动的时间t=，整理得：，与粒子的质量和带量无关，因此不同的粒子在同一回旋加速器中运动的时间相同，D正确。考点：回旋加速器8D【解析】试题分析：由左手定则可知，两种离子带正电，选项A错误；在金属板P1、P2间，由S1到S2洛伦兹力向左，故电场力向右，选项B错误；因为经过速度选择器的粒子的速度都满足qvB=Eq，故两种粒子的速度相同，选项C错误；根据可知，b的运动半径大于a，故a粒子的比荷大于b粒子的比荷，选项D正确。考点：质谱仪.9D【解析】试题分析：进入B0的粒子满足：，即：，知道粒子电量后，便可求出m的质量，所以质谱仪可以用来分析同位素，故A正确；由qE=qvB，得，此时离子受力平衡，可沿直线穿过选择器，故B正确；由，知R越小，粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，荷质比越大，故C正确；根据原理图可知粒子带正电，则受电场力向右，故洛伦兹力必向左，由左手定则可判断磁场方向垂直直面向外，故D错误；此题选错误选项，故选：D.考点：质谱仪。10D【解析】试题分析：由知，粒子速度越大，在磁场中运动的半径越大，则粒子离开回旋加速器时的半径最大，速度最大，动能越大为，与加速度电压无关，与磁场的强弱有关，A、B错误；粒子在磁场中运动的周期为，由题意知，同期不变，C错误；由周期知，不同粒子荷质比不同，则周期不同，频率不同，用同一回旋加速器分别加速不同的带电粒子，一般要调节交变电场的频率，D正确。考点：本题考查回旋加速器。11D【解析】试题分析：在磁场B2中，根据速度方向及左手定则知带电粒子带正电，A错误；在速度选择器中，判断洛伦磁力向上，电场力必定向下，P1为正极板，B错误；根据及速度相同，则半径越大，越大，C错误、D正确。考点：速度选择器、带电粒子在匀强磁场中的运动12AC【解析】试题分析：粒子在回旋加速度中的磁场中做匀速圆周运动，A正确；每经过电场一次，速度就变大一次，根据知每半个半圆时间相同，B、D错误；根据知半径越大速度越大，C正确。考点：回旋加速器13C【解析】试题分析：质子在匀强磁场每运动一周被加速二次，A错误；质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关，而与D形金属盒的半径有关，半径越大，加速的最大速度就越大，B错误；由于R=，加速的频率f=，将二者联立起来得，最大速度为v=2fR，C正确；不改变B和f，当加速粒子时，由于它与质子的荷质比不同，故周期不同，所以该回旋加速器不能用于加速粒子，D错误。考点：回旋回速器。14ABC【解析】试题分析：粒子在题图中的电场中加速，说明粒子带正电.其通过速度选择器时，电场力与洛伦兹力平衡，则洛伦兹力方向应水平向左，由左手定则知，在速度选择器中的磁场的方向垂直纸面向外，B正确；由Eq=Bqv可知，v=E/B，C正确；粒子打在胶片上的位置到狭缝的距离即其做匀速圆周运动的直径，根据，可知直径，直径D越小，粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，此时粒子的荷质比越大，直径D不同，则粒子的荷质比不同，因此，利用该装置可以分析同位素，A正确，D错误。考点：带电粒子在电磁场中的运动15AB【解析】试题分析：通过速度选择器的粒子速度相等，不同比荷的粒子在磁场中半径不同，所以，质谱仪是分析同位素的重要工具，A正确； 由图知速度选择器中由水平向右的匀强电场，粒子在速度选择器中所受洛伦兹力与电场力方向相反，由左手定则可知，速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外，B正确；只要粒子的速度满足,带电粒子就能通过速度选择器沿直线进入狭缝P，与粒子带电荷的正负无关；C错误；粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，则,粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，r越小，粒子的比荷越大，D错误。故选AB。考点：质谱仪的原理16AD【解析】试题分析：要实现对质子的加速，高频交流电的频率为f与质子在匀强磁场中作匀速圆周 的频率，A正确、B错误；质子最终由加速器加速获得的最大速度v=，与U无关，C错误、D正确。考点：回旋加速器的工作原理17BCD【解析】试题分析：离子在磁场中受到洛伦兹力，但不做功，故A错误；带电粒子源源不断的在电场中处于加速状态，从而获得能量，故B正确；带电粒子从D形盒中射出时的动能 Ekm=mvm2 ；带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，则圆周半径 ；由上述两式可得显然，当带电粒子q、m一定的，则EkmR2 B2;即Ekm随磁场的磁感应强度B、D形金属盒的半径R的增大而增大，与加速电场的电压和狭缝距离无关，故CD正确；故选：BCD考点：回旋加速器.18AB【解析】试题分析：洛伦兹力充当向心力，故有，解得：，所以代入，可得：，从式子中可以看出最大动能与加速器的半径、磁感线强度以及电荷的电量和质量有关半径越大，能量越大；磁场越强，能量越大；质量和电量都大，能量不一定大，故AB正确。考点：考查了回旋加速器19B【解析】试题分析：根据左手定值可得甲带负电，乙带正电，A错误；根据公式，因为速度，和磁感应强度相等，所以有：，解得，故B正确；根据公式可得能沿直线通过粒子的速率为，C错误；若甲、乙两束粒子的电荷量相等，根据，则甲、乙两束粒子的质量比为，故D错误.考点：考查了带电粒子在电场中的运动20A【解析】试题分析：因为加速器所加的高频交流电源的周期与粒子做圆周运动的周期相等，而粒子在磁场中做圆周运动的周期与粒子的运动速度还没关系，故由公式T=可知，氚核的交流电源的周期较大，故C、D均错误；再根据最大动能Ek=，将氚核与氦核的相关电荷量与质量代入，发现氚核获得的最大动能较小，故A正确，B错误。考点：加旋加速器。