高中物理质谱仪和回旋加速器的工作原理选择题

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

（多选）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．质子被加速后的最大速度不可能超过2πfR

B．质子被加速后的最大速度与加速电场的电压大小无关

C．只要R足够大，质子的速度可以被加速到任意值

D．不改变B和f，该回旋加速器也能用于加速α粒子

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

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/B

D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷（即荷质比）越小

用如图所示的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，可采用下列哪种方法（   ）

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4倍

D．将两D形金属盒间的加速电压增大为原来的4倍

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，比荷越小

D．在B2磁场中运动半径越大的粒子，质量越大

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

回旋加速器是获得高能量带电粒子的装置，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，关于回旋加速器的下列说法中正确的是（   ）

A．加速电压越大，带电粒子从D形盒射出时的动能越大

B．带电粒子从D形盒射出时动能与磁场的强弱无关

C．交变电场的周期应为带电粒子做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

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

A．两种粒子都带负电

B．金属板P1、P2间电场方向水平向左

C．b粒子的速度大于a粒子的速度

D．a粒子的比荷大于b粒子的比荷

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

现代质谱仪可用来分析比质子重很多的离子，其示意图如图所示, 其中加速电压恒定。质子在入口处从静止开始被加速电场加速, 经匀强磁场偏转后从出口离开磁场。若某种一价正离子在入口处从静止开始被同一加速电场加速,为使它经匀强磁场偏转后仍从同一出口离开磁场,需将磁感应强度增加到原来的12倍。此离子和质子的质量比约为（   ）

A．

11

B．

12

C．

121

D．

144

回旋加速器是用来加速带电粒子的装置，如下图所示，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．加速氚核的匀强电场的电势差较大，氚核获得的最大动能较大

C．匀强磁场的磁感应强度较大，氚核获得的最大动能也较大

D．D形金属盒的半径较大，氚核获得的最大动能较大

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极板带负电

C．能通过狭缝S0的带电粒子的速率等于

D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝S0，粒子的比荷越大

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

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