高中物理质谱仪和回旋加速器的工作原理试题

如图所示，回旋加速器的半径为R，匀强磁场的磁感应强度为B，高频电场的电压为U，S₀为粒子源，S’为引出口．若被加速的粒子质量为m,电荷量为q，设带电粒子质量不变，且不考虑粒子从粒子源射出时的能量．问：
（1）外加电场的变化周期为多少？
（2）粒子从加速器中射出时的能量为多少？
（3）粒子以加速器中被加速的时间共为多少？

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，两盒间的窄缝中形成匀强电场，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（）和α粒子（）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，有 （       ）

A．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

B．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

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

关于回旋加速器的下列说法，其中正确的有                                                             （    ）

A．电场用来加速带电粒子，磁场则使带电粒子旋转

B．电场和磁场同时用来加速带电粒子

C．在确定的交流电源下，回旋加速器的半径越大，同一带电粒子获得的动能越大

D．同一带电粒子获得的最大动能只与交流电源的电压大小有关，而与交流电源的频率无关

如图所示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/B

D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小

质谱仪的两大重要组成部分是加速电场和偏转磁场．如图为质谱仪的原理图，设想有一个静止的质量为m、带电量为q的带电粒子（不计重力），经电压为U的加速电场加速后垂直进入磁感应强度为B的偏转磁场中，带电粒子打至底片上的P点，设OP = x，则在图中能正确反映x与U之间的函数关系的是                       （   ）

如图所示是质谱仪示意图，图中离子源S产生电荷量为q的离子，经电压为U的电场加速后，由A点垂直射人磁感应强度为B的有界匀强磁场中，经过半个圆周，打在磁场边界底片上的P点，测得PA=d，求离子的质量m。

如图所示为测定带电粒子比荷（）的装置，粒子以一定的初速度进入并沿直线通过速度选择器，速度选择器内有相互正交的匀强磁场和匀强电场，磁感应强度和电场强度 速度选分别为B和E。然后粒子通过平板S上的狭缝P，进入另一匀强磁场，最终打在能记录粒子位置的胶片A_lA₂上。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

C．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越小

D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越大

如图所示，质量为m带电量为q的带电粒子，从离子源以很小的速度进入电势差为U的电场中加速后垂直进入磁场强度为B的磁场中，不计粒子从离子源射出时的速度，求：

（1）带电粒子进入磁场时的速度大小？
（2）带电粒子进入磁场的偏转半径？

用回旋加速器来加速质子，为了使质子获得的动能增加为原来的4倍，原则上可采用下列哪几种方法：（     ）

A．将其磁感应强度增大为原来的2倍

B．将其磁感应强度增大为原来的4倍

C．将D形金属盒的半径增大为原来的2倍

D．将D形金属盒的半径增大为原来的4倍

质谱仪原理如图，a为粒子加速器电压为u₁，b为速度选择器，磁场与电场正交，磁感强度为B₁，板间距离为d，c为偏转分离器，磁感强度为B₂，今有一质量为m，电量为+e的电子（不计重力），经加速后，该离子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做匀速圆周运动，求：
（1）粒子的速率v
（2）速度选择器的电压u₂
（3）粒子在B₂的磁场中做匀速圆周运动的半径R

如图甲所示是回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连．带电粒子在磁场中运动的动能E_k随时间t的变化规律如图乙所示，若忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断中正确的是    (    )

A．在Ek—t图中应有t4一t3＝t3一t2=t2—t1

B．高频电源的变化周期应该等于tn一tn-1

C．粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大

D．要想粒子获得的最大动能越大，则要求D形盒的面积也越大

欧洲强子对撞机在2010年初重新启动，并取得了将质子加速到1.18万亿ev的阶段成果，为实现质子对撞打下了坚实的基础。质子经过直线加速器加速后进入半径一定的环形加速器，在环形加速器中，质子每次经过位置A时都会被加速（图1），当质子的速度达到要求后，再将它们分成两束引导到对撞轨道中，在对撞轨道中两束质子沿相反方向做匀速圆周运动，并最终实现对撞 （图2）。质子是在磁场的作用下才得以做圆周运动的。下列说法中正确的是（   ）

A．质子在环形加速器中运动时，轨道所处位置的磁场会逐渐减小

B．质子在环形加速器中运动时，轨道所处位置的磁场始终保持不变

C．质子在对撞轨道中运动时，轨道所处位置的磁场会逐渐减小

D．质子在对撞轨道中运动时，轨道所处位置的磁场始终保持不变

用回旋加速器加速质子，为了使质子获得的动能增大为原来的4倍，可以（   ）

A．将D型金属盒的半径增大为原来的2倍

B．将磁场的磁感应强度增大为原来的4倍

C．将加速电场的电压增大为原来的4倍

D．将加速电场的频率增大为原来的4倍

美国物理学家劳伦斯于1932年发明的回旋加速器，应用带电粒子在磁场中做圆周运动的特点，能使粒子在较小的空间范围内经过电场的多次加速获得较大的能量，使人类在获得较高能量带电粒子方面前进了一步。下图为一种改进后的回旋加速器示意图，其中盒缝间的加速电场场强大小恒定，且被限制在、板间，如图所示。带电粒子从处以速度沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入型盒中的匀强磁场做匀速圆周运动。对于这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是

A．带电粒子每运动一周被加速两次

B．带电粒子每运动一周

C．加速粒子的最大速度与D形盒的尺寸有关

D．加速电场方向需要做周期性的变化

如图回旋加速器的D形盒半径为R，用来加速质量为m，带电量为q的质子，使质子由静止加速到具有能量为E后，由A孔射出，求：

（1）加速器中匀强磁场B的方向和大小．
（2）设两D形盒间的距离为d，其间电压为U，则加速到上述能量所需回旋周数是多少？
（3）加速到上述能量所需时间（不计通过缝隙的时间）．