高中物理质谱仪和回旋加速器的工作原理试题

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．带电粒子的运动周期是变化的

D．增大金属盒的半径可使粒子射出时的动能增加

如图，从离子源产生的甲、乙两种离子，由静止经加速电压U加速后在纸面内水平向右运动，自M点垂直于磁场边界射入匀强磁场，磁场方向垂直于纸面向里，磁场左边界竖直。已知甲种离子射入磁场的速度大小为v ₁， 并在磁场边界的N点射出；乙种离子在MN的中点射出；MN长为l。不计重力影响和离子间的相互作用。求：

（1）磁场的磁感应强度大小；    

（2）甲、乙两种离子的比荷之比。    

如图所示，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两极相连接的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的匀强电场，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面的匀强磁场中，磁场方向如图所示，设匀强磁场的磁感应强度为B， D形金属盒的半径为R，狭缝间的距离为d，匀强电场间的加速电压为U，要增大带电粒子（电荷量为q，质量为m，不计重力）射出时的动能，则下列方法中正确的是

A．增大加速电场间的加速电压	B．减小狭缝间的距离
C．增大磁场的磁感应强度	D．增大D形金属盒的半径

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

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，它的核心部分是两个D形金属盒，两盒相距很近，分别和交变电源相连接，两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒底面，某一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，当达到最大圆周半径时通过特殊装置被引出。下列说法正确的是

A．带电粒子在回旋加速器中从磁场中获得能量

B．带电粒子在回旋加速器中从电场中获得能量

C．高频交变电源的电压越大，带电粒子从出口被引出时获得的动能越大

D．匀强磁场的磁感应强度与带电粒子从出口被引出时获得的动能无关

质谱仪原理如图所示，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，磁感应强度为B₁，板间距离为d；c为偏转分离器，磁感应强度为B₂，今有一质量为m，电量为+e的电子（不计重力），经加速后，该粒子恰能通过速度选择器，粒子进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动.

求：（1）粒子的速度v；
（2）速度选择器的电压U₂；
（3）粒子在磁感应强度为B₂磁场中做匀速圆周运动的半径R.

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A₁、A₂ ，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．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小

D．能通过的狭缝P的带电粒子的速率等于E/B

质谱仪是一种测定带电粒子质量和分析同位素的重要工具，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(初速度可看作为零)，经加速电场加速后垂直进入有界匀强磁场，到达记录它的照相底片P上，设离子在P上的位置到入口处S₁的距离为x，可以判断（   ）

A．若离子束是同位素，则x越大，离子质量越小

B．若离子束是同位素，则x越大，离子质量越大

C．只要x相同，则离子的荷质比一定相同

D．只要x相同，则离子质量一定相同

中国科学院院士谢家麟是加速器物理学家，于20世纪60年代初领导完成一台可向高能发展的电子直线加速器、大功率速调管和电子回旋加速器等科研项目，如图为电子在回旋加速器中加速的示意图，回旋加速器D形盒半径为R，用来加速质量为m、带电荷量为e的电子，使电子由静止加速到能量为E后，由A孔射出，下列说法正确的是（   ）

A．电子被加速后，运动速率和运动半径都会增加，它的运动周期会增加

B．电场是用来加速的，磁场是用来回旋的，电子最终的能量应与磁场无关，并且加速电压越高，最终能量越高

C．所加磁场的磁感应强度大小一定为B＝

D．若匀强磁场的磁感应强度为B，不计通过缝隙的时间，电子在回旋加速器中运动的时间为

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

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

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．在E_k—t图中应有（t₂-t₁）＞（t₃-t₂）＞（t₄-t₃）＞……（t_n-t_n-1）
B．高频电源的变化周期应该等于t_n-t_n-1
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．在磁感应强度B、“D”形盒半径R、粒子的质量m及其电荷量q不变的情况下，粒子的加速次数越多，粒子的最大动能一定越大

质谱仪主要由加速电场和偏转磁场组成，其原理图如图甲。设想有一个静止的带电粒子P（不计重力），经电压为U的电场加速后，垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中，最后打到底片上的D点，设OD=x，则图乙中能正确反映x²与U之间函数关系的是

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，能使带电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。如图所示为改进后的回旋加速器的示意图，其中距离很小的盒缝间的加速电场的场强大小恒定，且被限制在A、C板间，带电粒子从P₀处静止释放，并沿电场线方向进入加速电场，经加速后进入D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，对于这种回旋加速器，下列说法正确的是

A．带电粒子每运动一周被加速一次
B．P₁P₂＝P₂P₃
C．粒子能达到的最大速度与D形盒的尺寸无关
D．加速电场的方向需要做周期性的变化

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，置于真空中的两个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. 设两D形盒之间所加的交流电压为U，被加速的粒子质量为m、电量为q,粒子从D形盒一侧开始被加速（初动能可以忽略），经若干次加速后粒子从D形盒边缘射出．

求：（1）粒子从静止开始第1次经过两D形盒间狭缝加速后的速度大小
　 （2）粒子第一次进入D型盒磁场中做圆周运动的轨道半径
　 （3）粒子至少经过多少次加速才能从回旋加速器D形盒射出