高中物理质谱仪和回旋加速器的工作原理试题

如图所示为质谱仪的原理图，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q的正离子经加速后，恰好通过速度选择器，进入分离器后做半径为R的匀速圆周运动，求：

⑴粒子的速度v
⑵速度选择器的电压U₂
⑶粒子在B₂磁场中做匀速圆周运动的半径R。

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

质谱仪是一种测定带电粒子质量或分析同位素的重要设备，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（速度可视为零），经MN间的加速电压U加速后从小孔S₁垂直于磁感线进入匀强磁场，运转半周后到达照相底片上的P点．设P到S₁的距离为x，则 （   ）

A．若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越小

B．若离子束是同位素，则x越大对应的离子质量越大

C．只要x相同，对应的离子质量一定相同

D．只要x相同，对应的离子的比荷一定相等

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

用回旋加速器分别加速粒子和质子时，若磁场相同，则加在两个D形盒间的交变电压的频率应不同，其频率之比为（   ）

A．1：1

B．1:3

C．2:1

D．1：2

1930年，劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，工作原理示意图如图所示。关于回旋加速器，下列说法正确的是

A．粒子从电场中获得能量

B．交流电的周期随粒子速度的增大而增大

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．不改变交流电的频率和磁感应强度B，加速质子的回旋加速器也可以用来加速α粒子

如图回旋加速器D形盒的半径为r，匀强磁场的磁感应强度为B．一个质量了m、电荷量为q的粒子在加速器的中央从速度为零开始加速．

（1）求该回旋加速器所加交变电场的频率；
（2）求粒子离开回旋加速器时获得的动能；
（3）设两D形盒间的加速电压为U，质子每次经电场加速后能量增加，加速到上述能量所需时间（不计在电场中的加速时间）．

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

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。

速度相同的一束粒子由左端射入质谱仪后分成甲、乙两束，其运动轨迹如图所示，其中S₀A＝S₀C，则下列说法正确的是(   )

A．甲束粒子带正电，乙束粒子带负电

B．甲束粒子的比荷大于乙束粒子的比荷

C．能通过狭缝S0的带电粒子的速率等于

D．若甲、乙两束粒子的电荷量相等，则甲、乙两束粒子的质量比为3∶2

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A₁A₂。下列表述正确的是

A．只有带正电的粒子能通过速度选择器沿直线进入狭缝P

B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里

C．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的比荷越大

D．能通过的狭缝P的带电粒子的速率等于

劳伦斯和利文斯设计的回旋加速器工作原理如图所示，置于高真空中的D形金属半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可忽略，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f，加速电压为U.若A处粒子源产生的质子质量为m、电荷量为＋q，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响，则下列说法正确的是（）

A．质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U无关

B．质子离开回旋加速器时的最大动能与交流电频率f成正比

C．质子被加速后的最大速度不可能超过2πRf

D．质子第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为1∶

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，在两盒间的窄缝中形成交变电场，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匀速圆周运动，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（H）和粒子（He），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，可知

A．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

B．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

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

质谱仪的两大重要组成部分是加速电场和偏转磁场。如图所示为质谱仪的原理图，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（     ）

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．带电粒子的运动周期是不变的

C．离子由加速器的中心附近进入加速器

D．增大金属盒的半径，粒子射出时的动能不变