高中物理质谱仪和回旋加速器的工作原理试题

如图所示,离子源S产生质量为m,电荷量为q的离子,离子产生出来的速度很小,要以看做速度为0,产生的离子经过电压U加速后,进入磁感强度为B的一匀强磁场,沿着半圆周运动到达P点,测得P点到入口处S₁的距离为L,则 N极板为________极板,此离子荷质比=_____________.

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

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变电流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，高频交变电压频率为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

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

如图所示是用电子射线管演示带电粒子在磁场中受洛仑兹力的实验装置图，图中虚线是带电粒子的运动轨迹，那么下列关于此装置的说法正确的是：

A．A端接的是高压直流电源的正极	B．A端接的是高压直流电源的负极
C．C端是蹄形磁铁的N极	D．C端是蹄形磁铁的S极

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

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

回旋加速器是获得高能带电粒子的装置，其核心部分是分别与高频交流电源的两极相连的两个D形盒，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正确的是（   ）

A．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

B．磁场对带电粒子的洛仑兹力对粒子不做功，因此带电粒子从D形盒射出时的动能与磁场的强弱无关

C．带电粒子做一次圆周运动，要被加速两次，因此交变电场的周期应为圆周运动周期的二倍

D．狭缝间的电场对粒子起加速作用，因此加速电压越大，带电粒子从D形盒射出时的动能越大

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