质谱仪和回旋加速器知识点题库

如图所示为质谱仪测定带电粒子质量的装置的示意图．速度选择器（也称滤速器）中场强E的方向竖直向下，磁感应强度B₁的方向垂直纸面向里，分离器中磁感应强度B₂的方向垂直纸面向外．在S处有甲、乙、丙、丁四个一价正离子垂直于E和B₁入射到速度选择器中，若，，在不计重力的情况下，则分别打在P₁、P₂、P₃、P₄四点的离子分别是（）

A . 乙甲丙丁 B . 甲丁乙丙 C . 丙丁乙甲 D . 丁甲丙乙

关于回旋加速器中电场和磁场的说法中正确的是（）

A . 电场和磁场都对带电粒子起加速作用 B . 电场和磁场是交替地对带电粒子做功的 C . 只有磁场才对带电粒子起加速作用 D . 只有电场才对带电粒子起加速作用

图为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 . 粒子带正电 B . 速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里 C . 能通过的狭缝P的带电粒子的速率等于 $\text{[math]}$ D . 粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小

回旋加速器是利用较低电压的高频电源使粒子经多次加速获得巨大速度的一种仪器，工作原理如图．下列说法正确的是（）

A . 粒子由A₀运动到A₁比粒子由A₂运动到A₃所用时间少 B . 在D形盒半径和磁感应强度一定情况下，同一粒子获得的动能与交流电源电压有关 C . 粒子的能量由电场提供 D . 高频电源的周期与被加速带电粒子做匀速圆周运动的周期无关

如图所示，一块长度为a、宽度为b、厚度为d的金属导体，当加有与侧面垂直的匀强磁场B，且通以图示方向的电流I时，用电压表测得导体上、下表面M、N间电压为U．已知自由电子的电荷量为e．下列说法中正确的是（）

A . M板比N板电势高 B . 导体单位体积内自由电子数越多，电压表的示数越大 C . 导体中自由电子定向移动的速度为v= $\text{[math]}$ D . 导体单位体积内的自由电子数为v= $\text{[math]}$

速度相同的一束粒子（不计重力）经过速度选择器后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 . 这束带电粒子带正电 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 $\text{[math]}$ D . 若粒子在磁场中运动半径越大，则该粒子的比荷越小

如图所示为回旋加速器的结构示意图，匀强磁场的方向垂直于半圆型且中空的金属盒D₁和D₂ ，磁感应强度为R，金属盒的半径为R，两盒之间有一狭缝，其间距为d，且 $\text{[math]}$ ，两盒间电压为U.A处的粒子源可释放初速度不计的带电粒子，粒子在两盒之间被加速后进入D₁盒中，经半个圆周之后再次到达两盒间的狭缝。通过电源正负极的交替变化，可使带电粒子经两盒间电场多次加速后获得足够高的能量.已知带电粒子的质量为m、电荷量为+q.

（1）不考虑加速过程中的相对论效应和重力的影响.
①求粒子可获得的最大速度v_m；

②若粒子第1次进入D₁盒在其中的轨道半径为r₁ ，粒子第1次进入D₂盒在其中的轨道半径为r₂ ，求r₁与r₂之比.
（2）根据回旋加速器的工作原理，请通过计算对以下两个问题进行分析：
①在上述不考虑相对论效应和重力影响的情况下，计算粒子在回旋加速器中运动的时间时，为何常常忽略粒子通过两盒间狭缝的时间，而只考虑粒子在磁场中做圆周运动的时间；

②实验发现：通过该回旋加速器，加速的带电粒子能量达到25~30MeV后，就很难再加速了。这是由于速度足够大时，相对论效应开始显现，粒子的质量随着速度的增加而增大。结合这一现象，分析在粒子获得较高能量后，为何加速器不能继续使粒子加速了。

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（缝隙的宽度远小于盒半径），分别和高频交流电源相连接，使带电粒子每通过缝隙时恰好在最大电压下被加速，最大电压为U。两盒放在匀强磁场中，磁场方向垂直于盒面，带电粒子在磁场中做圆周运动，粒子通过两盒的缝隙时反复被加速，直到最大圆周半径时通过特殊装置被引出。利用该加速器分别给质子和 $\text{[math]}$ 粒子（氦原子核）加速，已知质子、 $\text{[math]}$ 粒子质量之比为1 $\text{[math]}$ 4，带电量之比为1 $\text{[math]}$ 2，则下列说法正确的是( )

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A . 引出的质子和 $\text{[math]}$ 粒子动能之比为1 $\text{[math]}$ 1 B . 引出的质子和 $\text{[math]}$ 粒子动量之比为1 $\text{[math]}$ 1 C . 若增大电压U，质子、 $\text{[math]}$ 粒子被引出的动能都增大 D . 质子、 $\text{[math]}$ 粒子被引出的动能大小与电压U无关。

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，粒子的荷质比越小

图甲是回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D型金属盒．D型盒与高频电源相连，且置于垂直于盒面的匀强磁场中．带电粒子在电场中的动能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，则下列判断正确的是( )

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A . 在E_k－t图中有t₄－t₃<t₃－t₂<t₂－t₁ B . 在E_k－t图中有E_k4－E_k3＝E_k3－E_k2＝E_k2－E_k1 C . 若粒子加速次数越多，则射出加速器的粒子动能就越大 D . 若加速电压越大，则射出加速器的粒子动能就越大

如图所示，为一回旋加速器的示意图，其核心部分为处于匀强磁场中的D形盒，两D形盒之间接交流电源，并留有窄缝，离子在窄缝间的运动时间忽略不计。已知D形盒的半径为R，在 $\text{[math]}$ 部分的中央A处放有离子源，离子带正电，质量为m、电荷量为q，初速度不计。若磁感应强度的大小为B，每次加速时的电压为 $\text{[math]}$ 忽略离子的重力等因素。则加在D形盒间交流电源的周期 $\text{[math]}$ ；离子在第3次通过窄缝后的运动半径 $\text{[math]}$ ；离子加速后可获得的最大动能 $\text{[math]}$ 。

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劳伦斯由于发明了回旋加速器以及借此取得的成果而于1939年获得诺贝尔物理学奖．回旋加速器是加速带电粒子的装置，其核心部分是分别与频率一定的高频交流电极相连的两个D形金属盒，两盒间的狭缝中形成的周期性变化的电场，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．要增大带电粒子射出的动能，下列说法正确的是( )

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A . 增大匀强电场间的加速电压，其他保持不变 B . 增大磁场的磁感应强度，其他保持不变 C . 减小狭缝间的距离，其他保持不变 D . 增大D形金属盒的半径，其他保持不变

质谱仪是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．如图所示为质谱仪的原理示意图，现利用质谱仪对氢元素进行测量．让氢元素三种同位素的离子流从容器A下方的小孔s无初速度飘入电势差为U的加速电场．加速后垂直进入磁感强度为B的匀强磁场中．氢的三种同位素最后打在照相底片D上，形成a、b、c三条“质谱线”．则下列判断正确的是( )

A . 进入磁场时速度从大到小排列的顺序是氕、氘、氚 B . 进入磁场时动能从大到小排列的顺序是氕、氘、氚 C . 在磁场中运动时间由大到小排列的顺序是氕、氘、氚 D . a、b、C三条“质谱线”依次排列的顺序是氕、氘、氚

回旋加速器是利用较低电压的高频电源使粒子经多次加速获得巨大速度的一种仪器，工作原理如图，下列说法正确的是（）

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A . 粒子在磁场中做匀速圆周运动 B . 粒子由A₀运动到A₁比粒子由A₂运动到A₃所用时间少 C . 粒子的轨道半径与它的速率成正比 D . 粒子的运动周期和运动速率成正比

如图所示，一束带电粒子以一定的初速度沿直线通过由相互正交的匀强磁场和匀强电场组成的速度选择器，然后粒子通过平板S上的狭缝P进入平板下方的匀强磁场，平板下方的磁场方向如图所示。粒子最终打在S板上，粒子重力不计，则下面说法正确的是（）

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A . 粒子带负电 B . 粒子打在S板上的位置离狭缝P越远，粒子的比荷 $\text{[math]}$ 越大 C . 能通过狭缝P的带电粒子速率等于 $\text{[math]}$ D . 速度选择器中的磁感应强度方向垂直纸面向里

质谱仪的结构原理图如图所示，水平极板S₁、S₂间有垂直极板方向的匀强电场，圆筒N内可以产生质子和氚核（它们的电荷量之比为1：1，质量之比为1：3），它们由静止进入极板间，经极板间的电场加速后进入下方的匀强磁场，在磁场中运动半周后打到底片P上. 不计质子和氚核受到的重力及它们间的相互作用，下列判断正确的是（）

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A . 质子和氚核在极板间运动的时间之比为 $\text{[math]}$ B . 质子和氚核在磁场中运动的时间之比为1：1 C . 质子和氚核在磁场中运动的速率之比为 $\text{[math]}$ D . 质子和氚核在磁场中运动的轨迹半径之比为 $\text{[math]}$

关于下列四幅课本上的插图的说法正确的是（）

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A . 图甲是速度选择器示意图，由图可以判断出带电粒子的电性，不计重力的粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是 $\text{[math]}$ B . 图乙是磁流体发电机结构示意图，由图可以判断出A极板是发电机的正极 C . 图丙是质谱仪结构示意图，打在底片上的位置越靠近狭缝 $\text{[math]}$ 说明粒子的比荷越大 D . 图丁是回旋加速器示意图，要使粒子飞出加速器时的动能增大，可仅增加电压U

下列四幅图中有关装置的原理和现象的分析正确的是（）

A . 图甲电路通电稳定后断开开关瞬间，灯泡 $\text{[math]}$ 一定会闪一下再熄灭 B . 图乙变压器采用了电磁互感原理，铁芯用彼此绝缘的硅钢片叠加而成防止产生涡流 C . 图丙过山车进入停车区的过程中铜片受到强力磁铁的安培力使过山车减速 D . 图丁D形盒半径 $\text{[math]}$ 、磁感应强度 $\text{[math]}$ 不变，若加速电压 $\text{[math]}$ 越高，质子飞出D形盒的动能 $\text{[math]}$ 将越大

图示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大小分别为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 ，其中OP与平板平行。平板S下方有磁感应强度大小为B₀的匀强磁场。不计带电粒子所受的重力，下列表述正确的是（　　）

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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 . 能通过狭缝P的带电粒子的速率等于 $\text{[math]}$ D . 粒子打在胶片上的位置越靠近狹缝P，粒子的比荷越小

下列说法正确的是（）

A . 回旋加速器粒子经加速后具有的最大动能与加速电压值有关 B . 黑体辐射实验揭示了振动着的带电微粒的能量是连续的 C . 氢原子吸收光子后从高能级跃迁到低能级 D . 微波炉是利用电磁波的能量来快速煮熟食物的

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