质谱仪和回旋加速器知识点题库

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 $\text{[math]}$

某种工业上用质谱仪将铀离子从其他相关元素中分离出来，如图所示，铀离子通过U=100KV的电势差加速后进入匀强磁场分离器，磁场中铀离子的路径为半径r=1.00m的半圆，最后铀离子从狭缝出来被收集在一只杯中，已知铀离子的质量m=3.92×10^﹣²⁵kg，电量q=3.20×10^﹣¹⁹C，如果该设备每小时分离出的铀离子的质量m=100mg，则：（为便于计算 $\text{[math]}$ ≈2）

（1）求匀强磁场的磁感应强度
（2）计一小时内杯中所产生的内能
（3）计算离子流对杯产生的冲击力．

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，这台加速器由两个铜质D形盒D₁、D₂构成，其间留有空隙，下列说法正确的是（）

A . 回旋加速器只能用来加速正离子 B . 离子从D形盒之间空隙的电场中获得能量 C . 离子在磁场中做圆周运动的周期是加速交变电压周期的一半 D . 离子在磁场中做圆周运动的周期是加速交变电压周期的2倍

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 . 加速质子所需能量来自电场，增大电场可以增大质子射出时的动能 B . 增大D形金属盒的半径R，可以增大带电粒子射出时的动能 C . 不改变B和f，该回旋加速器也能用于加速电子 D . 虽然洛仑兹力不做功，但增强磁场可以增大带电粒子出射时的动能

如图所示为某磁谱仪部分构件的示意图，图中永磁铁提供匀强磁场，硅微条径迹探测器可以探测粒子在其中运动的轨迹．宇宙射线中有大量的电子、正电子和质子，当这些粒子从上部垂直进入磁场时，下列说法正确的是（）

A . 电子与正电子的偏转方向可能相同 B . 电子与正电子在磁场中运动轨迹的半径一定相同 C . 粒子的动能越大，它在磁场中运动轨迹的半径越小 D . 仅依据粒子运动轨迹无法判断该粒子是质子还是正电子

一回旋加速器当外加磁场一定时，可把α（ $\text{[math]}$ He核质量为4m₀ ，电荷量为2e）粒子加速到v，它能把质子（ $\text{[math]}$ H核质量为m₀ ，电荷量为e）加速到速度为（）

A . v B . 2v C . 0.5v D . 4v

如图为回旋加速器的示意图．其核心部分是两个D型金属盒，置于磁感应强度大小恒定的匀强磁场中，并与高频交流电源相连．带电粒子在D型盒中心附近由静止释放，忽略带电粒子在电场中的加速时间，不考虑相对论效应．欲使粒子在D型盒内运动的时间增大为原来的2倍，下列措施可行的是（）

A . 仅将磁感应强度变为原来的2倍 B . 仅将交流电源的电压变为原来的 $\text{[math]}$ C . 仅将D型盒的半径变为原来的 $\text{[math]}$ 倍 D . 仅将交流电源的周期变为原来的2倍

如图所示，回旋加速器是用来加速带电粒子使它获得很大动能的装置．其核心部分是两个D形金属盒，置于匀强磁场中，两盒分别与高频电源相连．则下列说法正确的是（）

A . 带电粒子加速所获得的最大动能与金属盒的半径有关 B . 带电粒子从磁场中获得能量 C . 带电粒子加速所获得的最大动能与加速电压的大小有关 D . 带电粒子做圆周运动的周期随半径增大

质谱仪的结构原理图如图所示，水平极板 $\text{[math]}$ 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（）

A . 质子和氚核在极板间运动的时间之比为1:3 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 $\text{[math]}$

物理课堂教学中的洛伦兹力演示仪由励磁线圈、玻璃泡、电子枪等部分组成。励磁线圈是一对彼此平行的共轴的圆形线圈，它能够在两线圈之间产生匀强磁场。玻璃泡内充有稀薄的气体，电子枪在加速电压下发射电子，电子束通过泡内气体时能够显示出电子运动的径迹。若电子枪垂直磁场方向发射电子，给励磁线圈通电后，能看到电子束的径迹呈圆形。若只增大电子枪的加速电压或励磁线圈中的电流，下列说法正确的是( )

A . 增大电子枪的加速电压，电子束的轨道半径变大 B . 增大电子枪的加速电压，电子束的轨道半径不变 C . 增大励磁线圈中的电流，电子束的轨道半径变小 D . 增大励磁线圈中的电流，电子束的轨道半径不变

如图甲所示是用来加速带电粒子的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，两盒分别与高频电源相连．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，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图中应有t₄– t₃= t₃– t₂= t₂– t₁ B . 高频电源的变化周期应该等于t_x– t_x_－₁ C . 粒子加速次数越多，粒子最大动能一定越大 D . 要想粒子获得的最大动能增大，可增加D形盒的半径

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 $\text{[math]}$ 速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场，磁感应强度为B，电场强度为 $\text{[math]}$ 粒子沿直线穿过速度选择器后通过平板S上的狭缝P，之后到达记录粒子位置的胶片 $\text{[math]}$ 板S下方有磁感应强度为 $\text{[math]}$ 的匀强磁场 $\text{[math]}$ 下列说法正确的是（）

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A . 粒子在速度选择器中一定做匀速运动 B . 速度选择器中的磁场方向垂直纸面向里 C . 能通过狭缝P的带电粒子的速率等于 $\text{[math]}$ D . 比荷 $\text{[math]}$ 越大的粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P

如图是质谱仪的工作原理示意图，它是分析同位素的一种仪器，其工作原理是带电粒子（不计重力）经同一电场加速后，垂直进入同一匀强磁场做圆周运动，挡板D上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A₁A₂。若（）

A . 只增大粒子的质量，则粒子经过狭缝P的速度变大 B . 只增大加速电压U，则粒子经过狭缝P的速度变大 C . 只增大粒子的比荷，则粒子在磁场中的轨道半径变大 D . 只增大磁感应强度，则粒子在磁场中的轨道半径变大

1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，巧妙地利用带电粒子在磁场中运动特点，解决了粒子的加速问题。现在回旋加速器被广泛应用于科学研究和医学设备中。回旋加速器的工作原理如图甲所示，置于真空中的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，加速器按一定频率的高频交流电源，保证粒子每次经过电场都被加速，加速电压为U．D形金属盒中心粒子源产生的粒子，初速度不计，在加速器中被加速，加速过程中不考虑相对论效应和重力作用。

（1）求把质量为m、电荷量为q的静止粒子加速到最大动能所需的时间；
（2）若此回旋加速器原来加速质量为2m、带电荷量为q的α粒子（ $\text{[math]}$ ），获得的最大动能为E_km ，现改为加速氘核（ $\text{[math]}$ ），它获得的最大动能为多少？要想使氘核获得与α粒子相同的动能，请你通过分析，提出一种简单可行的办法；
（3）已知两D形盒间的交变电压如图乙所示，设α粒子在此回旋加速器中运行的周期为T，若存在一种带电荷量为q′、质量为m′的粒子 $\text{[math]}$ ，在 $\text{[math]}$ 时进入加速电场，该粒子在加速器中能获得的最大动能？（在此过程中，粒子未飞出D形盒）

下列说法正确的是（）

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A . 图甲是用来加速带电粒子的回旋加速器的示意图，要粒子获得的最大动能增大，可增加电压 $\text{[math]}$ B . 图乙磁流体发电机的结构示意图，可以判断出 $\text{[math]}$ 极板是发电机的正极， $\text{[math]}$ 极板是发电机的负极 C . 图丙是速度选择器，带电粒子（不计重力）能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是 $\text{[math]}$ D . 图丁是质谱仪的工作原理示意图，粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝 $\text{[math]}$ 粒子的比荷越小

如图所示，P₁P₂两极板间存在方向互相垂直的匀强电场和匀强磁场。从O点以不同速率沿OS₀（OS₀与电、磁场垂直）方向进入P₁P₂两板间的多个氘核和氚核，若能从S₀垂直于MN边界进入匀强磁场B₂中，则分别打在照相底片上的C、D两点。已知氘核、氚核的电荷量相同，质量之比为2∶3。设打在照相底片上的氘核、氚核从O点入射的速率分别为v₁、v₂ ，在B₂磁场中的轨道半径分别为r₁、r₂ ，则（）

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A . v₁:v₂=3:2 B . r₁:r₂=2:3 C . CD间的距离为r₁ D . CD间的距离为r₂

甲、乙、丙、丁四幅图分别是回旋加速器、磁流体发电机、速度选择器、磁电式电流表的结构示意图，下列说法中正确的是（　　）

A . 图甲中增大电压U可增大粒子的最大动能 B . 图乙中可以判断出B极板为发电机的正极 C . 图丙中粒子沿直线PQ运动的条件是 $\text{[math]}$ D . 图丁中线圈在极靴产生的匀强磁场中转动

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，使人类在获得较高能量带电粒子方面前进了一大步．图为一种改进后的回旋加速器示意图，其中盒缝间的加速电场场强恒定，且被限制在A、C板间，带电粒子从P₀处以速度v₀沿电场线方向射入加速电场，经加速后再进入D型盒中的匀强磁场做匀速圆周运动．对于这种改进后的回旋加速器，下列说法正确的是(　　)

A . 带电粒子每运动一周被加速两次 B . 带电粒子每运动一周P₁P₂＝P₂P₃ C . 加速粒子的最大速度与D形盒的尺寸有关 D . 加速电场方向需要做周期性的变化

质谱仪的基本构造如图所示。质量为 $\text{[math]}$ （待测的）、带电量为 $\text{[math]}$ 的离子束由静止经加速电场后，进入速度选择器，速度选择器中有相互垂直的电场强度为 $\text{[math]}$ 的匀强电场和磁感应强度为 $\text{[math]}$ 的匀强磁场，之后进入磁感应强度为 $\text{[math]}$ 的匀强磁场区域发生偏转。

（1）若该离子的偏转距离为 $\text{[math]}$ ，求离子的质量 $\text{[math]}$ ；
（2）求加速电场的电压；
（3）在一次实验中 $\text{[math]}$ 离子的偏转距离为 $\text{[math]}$ ，另一种带电量相同的氧的同位素离子的偏转距离为 $\text{[math]}$ 。已知 $\text{[math]}$ 离子的质量为 $\text{[math]}$ （ $\text{[math]}$ 为原子质量单位），求另一种同位素离子的质量（保留两位小数，用原子质量单位 $\text{[math]}$ 表示）。