高中物理质谱仪和回旋加速器的工作原理试题

图甲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，并分别与高频电源两极相连。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，则下列说法正确的是

A．（t2－tl）>（t3－t2）>……>（tn－ tn－l）

B．高频电源的变化周期应该等于tn－ tn－l

C．要使粒子获得的最大动能增大，可以增大D形盒的半径

D．要使粒子获得的最大动能增大，可以增大加速电压

粒子回旋加速器的工作原理如图所示，置于真空中的D型金属盒的半径为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，高频率交流电的频率为f，加速器的电压为U，若中心粒子源处产生的质子质量为m，电荷量为+e，在加速器中被加速。不考虑相对论效应，则下列说法正确是

A．质子被加速后的最大速度不能超过2πRf

B．加速的质子获得的最大动能随加速电场U增大而增大

C．质子第二次和第一次经过D型盒间狭缝后轨道半径之比为

D．不改变磁感应强度B和交流电的频率f，该加速器也可加速a粒子

图甲是回旋加速器的原理示意图。其核心部分是两个D型金属盒，在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中（磁感应强度大小恒定），并分别与高频电源相连。加速时某带电粒子的动能E_K随时间t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，则下列判断正确的是（ ）

A．在EK-t图象中t4-t3=t3-t2=t2-t1

B．粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大

C．高频电源的变化周期应该等于tn-tn-1

D．D形盒的半径越大，粒子获得的最大动能越大

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处粒子源产生质量为m、电荷量为+q的粒子，在加速电压为U的加速电场中被加速。所加磁场的磁感应强度、加速电场的频率可调，磁场的磁感应强度最大值为B_m和加速电场频率的最大值f_m。则下列说法正确的是

A．粒子第n次和第n+1次半径之比总是︰

B．粒子从静止开始加速到出口处所需的时间为

C．若fm<，则粒子获得的最大动能为

D．若fm>，则粒子获得的最大动能为

如图是一个医用回旋加速器示意图，其核心部分是两个D形金属盒，两金属盒置于匀强磁场中，并分别与高频电源相连。现分别加速氘核（）和氦核（），下列说法中正确的是

A．它们的最大速度相同

B．它们的最大动能相同

C．两次所接高频电源的频率相同

D．仅增大高频电源的频率可增大粒子的最大动能

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

某种质谱仪的工作原理示意图如图所示，此质谱仪由以下几部分构成：粒子源S；M、N为加速电场；速度选择器P、Q，其间是正交的匀强磁场和匀强电场，强度分别为B₁和E，磁场方向垂直于纸面向里；磁感应强度为B₂、方向垂直纸面向外的有界匀强磁场；核乳胶片。由粒子源发出的初速度不计的不同带电粒子，经加速电场加速，经过速度选择器，进入有界匀强磁场B₂，最终打在核乳胶片上，形成a、b、c三条质谱线。则下列相关说法正确的是（   ）

A．速度选择器的上极板P带负电下极板Q带正电

B．a、b、c三条质谱线中粒子从A点运动到核乳胶片的时间

C．能通过狭缝A的带电粒子的速率等于

D．带电量相同的粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝A，粒子的质量越大

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/B2

C．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

【改编】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，速度越大

D．在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量不一定大

1932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B_m、f_m，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：1

B．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

质谱仪可以测定有机化合物分子结构，质谱仪的结构如图1所示。有机物的气体分子从样品室注入“离子化”室，在高能电子作用下，样品气体分子离子化或碎裂成离子（如C₂H₆离子化后得到C₂H₆⁺、C₂H₂⁺、CH₄⁺等）。若离子化后的离子均带一个单位的正电荷e，初速度为零，此后经过高压电源区、圆形磁场室，真空管，最后在记录仪上得到离子，通过处理就可以得到离子质荷比(m/e)，进而推测有机物的分子结构。已知高压电源的电压为U，圆形磁场区的半径为R，真空管与水平面夹角为θ，离子进入磁场室时速度方向指向圆心。

（1）请说明高压电源A端应接“正极”还是“负极”，磁场室的磁场方向“垂直纸面向里”还是“垂直纸面向外”；
（2）C₂H₆⁺和C₂H₂⁺离子同时进入磁场室后，出现了轨迹I和II，试判定它们各自对应的轨迹，并说明原因；
（3）若磁感应强度为B时，记录仪接收到一个明显信号，求与该信号对应的离子质荷比(m/e)；
（4）调节磁场室磁场的大小，在记录仪上可得到不同的离子。设离子的质荷比为β，磁感应强度大小为B，为研究方便可作B-β关系图线。当磁感应强度调至B₀时，记录仪上得到的是H⁺，若H⁺的质荷比为β₀，其B-β关系图线如图2所示，请作出记录仪上得到了CH₄⁺时的B-β的关系图线。

1932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B_m、f_m，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：1

B．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

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U_M、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．       D．

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

1932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