2020-2021学年高一第一学期物理人教版2019选修第二册第一章 4. 质谱仪与回旋加速器C1.如图所示为回旋加速器的工作原理示意图,D形金属盒置于真空中,半径为R,两金属盒间的狭缝很小,磁感应强度大小为B的勻强磁场与金属盒盒面垂直,高频交流电的频率为f,加速电压为U,若中心粒子源处产生的初速度为0的质子(质量为m,电荷量为+e)在加速器中被加速。
不考虑相对论效应,则下列说法正确的是( )A.加速的粒子获得的最大动能随加速电压U的增大而增大B.不改变磁感应强度B和交流电的频率f,该加速器一定可加速其他带正电荷的粒子C.质子被加速后的最大速度不能超过2πRfD.质子第二次和第一次经过D形盒间狭缝后轨道半径之比为2:12.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,两盒间的狭缝中存在周期性变化的电场,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,要增大带电粒子射出时的动能,则下列说法中正确的是( )A.减小磁场的磁感应强度B.增大匀强电场间的加速电压C.增大D形金属盒的半径D.减小狭缝间的距离3.质谱仪是测带电粒子质量和分析同位素的一种仪器,它的工作原理是带电粒子(不计重力)经同一电场加速后,垂直进入同一匀强磁场做圆周运动,然后利用相关规律计算出带电粒子质量。
其工作原理如图所示。
虚线为某粒子运动轨迹,由图可知( )A.此粒子带负电B.下极板S2比上极板S1电势高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4.1930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,这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成,其间留有空隙,下列说法正确的是( )A.离子从电场中获得能量B.离子由加速器的边缘进入加速器C.加速电场的周期随粒子速度增大而增大D.离子从D形盒射出时的动能与加速电场的电压有关5.回旋加速器在现代医药中有广泛的应用,应用质子回旋加速器可以生产各种放射性同位素。
下图是一种质子回旋加速器的示意图,磁感应强度为B 的匀强磁场垂直于D 形盒的底面,高频正弦交流电的电源分别与两D 形盒连接,质子的质量为m,电量为e,则下列说法正确的是( )A.质子在磁场中转动的半径越大,做圆周运动的周期越大B.正弦交流电压的最大值越大,质子被加速后获得的动能越大C.正弦交流电的周期应为πmeBD.正弦交流电压的最大值越大,质子在D 形盒中运动的时间越短6.质谱仪又称质谱计,是分离和检测不同同位素的仪器.工作原理如图所示,电荷量均为+q 、质量不同的离子初速度几乎为零地进入电压为U 0的加速电场。
这些离子经加速后通过狭缝O 沿着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,最后打在底片上。
已知放置底片的区域MN 长度为L,且OM=L. 某次测量发现MN 中左侧2/3区域MQ 损坏,检测不到离子,但右侧1/3区域QN 仍能正常检测到离子。
在适当调节加速电压后,原本打在MQ 的离子即可在QN 检测到。
为使原本打在MN 点P 的离子能打在QN 区域,则加速电压U 的值不可能为( )A. 0169U B. 010081UC. 014081U D. 02U7.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,其工作原理如图所示,下列说法中正确的是( )A.粒子做匀速圆周运动,每加速一次半径变大B.粒子由0A 运动到1A 比粒子由2A 运动到3A 所用时间少C.粒子的轨道半径与它的速率无关D.粒子的运动周期和运动速率成正比8.质谱仪是一种测定带电粒子质量或分析同位素的重要设备,它的构造原理如图所示.离子源S 产生的各种不同正离子束(速度可视为零),经MN 间的电压U 加速后从小孔S 1垂直于磁感线进入匀强磁场,运转半周后到达照相底片上的P 点.设P 到S 1的距离为x,则( )A.若离子束是同位素,则x 越大对应的离子质量越小B.若离子束是同位素,则x 越大对应的离子质量越大C.只要x 相同,对应的离子质量一定相同D.只要x 相同,对应的离子电荷量一定相同9.如图是质谱仪的工作原理示意图.粒子源(在加速电场上方,未画出)产生的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.速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里B.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于B/EC.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.粒子所带电荷量相同时,打在胶片上的位置越靠近狭缝P,表明其质量越大10.1922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。
若速度相同的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极板带正电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q/m越大11.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形金属盒处于垂直盒底的匀强磁场中,如图所示,要增大带电粒子射出时的动能,则下列说法正确的是( )A.增大电场的加速电压B.增大D形金属盒的半径C.减小狭缝间的距离D.减小磁场的磁感应强度12.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。
下列表述错误的是( )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.能通过狭缝P的带电粒子的速率等于EB越小D.粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P,粒子的比荷qm13.1922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。
若速度相同的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极板带正电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q/m越大14.用如图所示的回旋加速器来加速质子,为了使质子获得的速度增加为原来的2倍,可采用下列哪种方法( )A.将磁感应强度减小,变为原来的1/2B.将两D形金属盒间的加速电压增大为原来的4倍C.将D形金属盒的半径增大为原来的2倍D.将两D形金属盒间加速电压的频率增大为原来的2倍15.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,接高频交流电源,两盒间的窄缝中形成匀强电场,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(31H)和α粒子(42He),比较它们所需加的高频交流电源的周期和获得的最大动能的大小,有( )A.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大,氚核获得的最大动能较小16.1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，巧妙地利用带电粒子在磁场中运动特点，解决了粒子的加速问题。
现在回旋加速器被广泛应用于科学研究和医学设备中。
回旋加速器的工作原理如图甲所示，置于真空中的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，加速器接一定频率的高频交流电源，保证粒子每次经过电场都被加速，加速电压为U.D形金属盒中心粒子源产生的粒子，初速度不计，在加速器中被加速，加速过程中不考虑相对论效应和重力作用.（1）求把质量为m 、电荷量为q 的静止粒子加速到最大动能所需时间； （2）若此回旋加速器原来加速质量为2m ，带电荷量为q 的a 粒子42He （），获得的最大动能为km E ，现改为加速氘核21H （），它获得的最大动能为多少？要想使氘核获得与α粒子相同的动能，请你通过分析，提出一种简单可行的办法;（3）已知两D 形盒间的交变电压如图乙所示，设α粒子在此回旋加速器中运行的周期为T ，若存在种带电荷量为'q 、质量为'm 的粒子201100X ，在4Tt =时进入加速电场该粒子在加速器中能获得的最大动能？（在此过程中，粒子未飞出D 形盒）.17.一台质谱仪的工作原理如图所示.大量的甲、乙两种离子飘入电压力为0U 的加速电场,其初速度几乎为0,经过加速后,通过宽为L 的狭缝MN 沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B 的匀强磁场中,最后打到照相底片上。
已知甲、乙两种离子的电荷量均为+q,质量分别为2m 和m,图中虚线为经过狭缝左、右边界M 、N 的甲种离子的运动轨迹.不考虑离子间的相互作用.1.求甲种离子打在底片上的位置到N 点的最小距离x;2.在答题卡的图中用斜线标出磁场中甲种离子经过的区域,并求该区域最窄处的宽度d;3.若考虑加速电压有波动,在()0U U -∆到()0U U +∆之间变化,要使甲、乙两种离子在底片上没有重叠,求狭缝宽度L 满足的条件.18.如图所示为质谱仪的示意图，两极板间加有电压U ，让比荷为k 的带正电的粒子从正极板的附近由静止释放，粒子经电场加速后从M 点垂直磁场边界进入磁场，经磁场偏转后打在磁场边界上的荧光屏的N 点，MN 的距离为x 。
不计粒子的重力，求：（1）粒子经电场加速后速度的大小。
（2）匀强磁场的磁感应强度的大小。
19.一台质谱仪的工作原理如图所示，电荷量均为q＋、质量不同的离子飘入电压为U的加速电场，其初速度几乎为零．这些离子经加速后通过狭缝0O沿着与磁场垂直的方向进入磁感应强度为B的匀强磁场，最后打在底片区域上．已知放置底片的区域MN L＝.某次测量发现MN中左侧2＝，且OM L3区域QN仍能正常检测到离子．在适当MQ损坏，检测不到离子，但右侧13调节加速电压后，原本打在MQ的离子即可在QN检测到．(1)求原本打在MN中点P的离子质量m；(2)为使原本打在P的离子能打在QN区域，求加速电压U的调节范围．(3)为了在QN区域将原本打在MQ区域的所有离子检测完整，求需要调节U 的最少次数。