2019-2020年高中物理 質(zhì)譜儀和回旋加速器同步練習（含解析）新人教版選修3.doc

2019-2020年高中物理 質(zhì)譜儀和回旋加速器同步練習（含解析）新人教版選修31現(xiàn)代科學研究中常要用到高速電子，電子感應加速器就是電子加速的設備。它的基本原理如圖所示，上、下為電磁鐵的兩個磁極，磁極之間有一個環(huán)形真空室, 電子在真空室中做圓周運動。電磁鐵線圈電流的大小、方向可以變化。上圖為側(cè)視圖，下圖為真空室的俯視圖，如果從上向下看, 電子沿逆時針方向運動。以下分析正確的是( ) A變化的磁場在真空室內(nèi)形成感生電場使電子加速B變化的電場在真空室內(nèi)形成磁場使電子加速C當電磁鐵線圈電流的方向與圖示方向一致時, 為使電子加速, 電磁鐵中的電流應該由小變大D當電磁鐵線圈電流的方向與圖示方向一致時, 為使電子加速, 電磁鐵中的電流應該由大變小2速度相同的一束粒子，由左端射入速度選擇器后，又進入質(zhì)譜儀，其運動軌跡如圖所示，則下列說法中正確的是（ ）A該束帶電粒子帶負電 B能通過狹縫S0的帶電粒子的速率等于E/B2C若保持B2不變，粒子打在膠片上的位置越遠離狹縫S0，粒子的比荷q/m越小D若增大入射速度，粒子在磁場中軌跡半圓將變大31932年，勞倫斯和利文斯設計出了回旋加速器.回旋加速器的工作原理如圖所示，置于高真空中的D形金屬盒半徑為R，兩盒間的狹縫很小，帶電粒子穿過的時間可以忽略不計.磁感應強度為B的勻強磁場與盒面垂直.A處粒子源產(chǎn)生的粒子，質(zhì)量為m、電荷量為+q ，在加速器中被加速，加速電壓為U. 實際使用中，磁感應強度和加速電場頻率都有最大值的限制.若某一加速器磁感應強度和加速電場頻率的最大值分別為Bm、fm，加速過程中不考慮相對論效應和重力作用A粒子第2次和第1次經(jīng)過兩D形盒間狹縫后軌道半徑之比：1B粒子從靜止開始加速到出口處所需的時間C如果fm，粒子能獲得的最大動能為D如果fm，粒子能獲得的最大動能為4如圖為回旋加速器的結(jié)構(gòu)示意圖，兩個半徑為R 的D形金屬盒相距很近，連接電壓峰值為UM、頻率為的高頻交流電源，垂直D形盒的勻強磁場的磁感應強度為B?，F(xiàn)用此加速器來加速電荷量分別為+0.5q、+q、+2q，相對應質(zhì)量分別為m、2m、3m的三種靜止離子，最后經(jīng)多次回旋加速后從D形盒中飛出的粒子的最大動能可能為A B C D5英國物理學家阿斯頓因首次制成質(zhì)譜儀，并用此對同位素進行了研究，因此榮獲了1922年的諾貝爾化學獎。若速度相同的同一束粒子由左端射入質(zhì)譜儀后的運動軌跡如圖所示，則下列相關說法中正確的是A該束帶電粒子帶正電B速度選擇器的P1極板帶負電C在B2磁場中運動半徑越大的粒子，質(zhì)量越大D.在B2磁場中運動半徑越大的粒子，比荷小61932年勞倫斯制成了世界上第一臺回旋加速器，其原理如圖所示，這臺加速器由兩個D形盒D1、D2構(gòu)成，它們之間留有窄縫，在窄縫間有電勢差，形成電場，離子在此窄縫中被加速，進入磁場后做勻速圓周運動，回到窄縫時電場方向變換離子又被加速，依次循環(huán).。下列說法正確的是A離子在加速器D形盒D1中運動的周期比在D2中的大B在兩個D形盒D1、D2之間加有周期性變化的電場C離子從電場中獲得能量D離子從磁場中獲得能量7加速器是使帶電粒子獲得高能量的裝置，下圖是回旋加速器的原理圖，由回旋加速器的工作原理可知A隨著速度的增加，帶電粒子走過半圓的時間越來越短B帶電粒子獲得的最大速度是由交變電場的加速電壓決定的C交變電場的頻率跟帶電粒子的荷質(zhì)比成正比D不同的帶電粒子在同一回旋加速器中運動的總時間相同8英國物理學家阿斯頓首次制成了質(zhì)譜儀，并用它確定了同位素的普遍存在。若兩種帶電粒子a、b(不計重力)由S1射入質(zhì)譜儀后的運動軌跡如圖所示，則下列說法中正確的是S1P2P1abA兩種粒子都帶負電B金屬板P1、P2間電場方向水平向左Cb粒子的速度大于a粒子的速度Da粒子的比荷大于b粒子的比荷9如圖所示為質(zhì)譜儀的工作原理示意圖，帶電粒子被加速電場加速后，進入速度選擇器，速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強磁場和勻強電場的強度分別為B和E，平板S上有可讓粒子通過的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2，平板S下方有強度為B0的勻強磁場。下列表述錯誤的是（ ）A質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具B能通過的狹縫P的帶電粒子的速率等于E/BC粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的比荷q/m越大D速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向里10回旋加速器是獲得高能帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電源的兩極相連的兩個D形盒，兩盒間的狹縫中形成周期性變化的電場，使粒子在通過狹縫時都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強磁場中，如圖所示，關于回旋加速器的下列說法正確的是( )A狹縫間的電場對粒子起加速作用，因此加速電壓越大，帶電粒子從D形盒射出時的動能越大B磁場對帶電粒子的洛侖茲力對粒子不做功，因此帶電粒子從D形盒射出時的動能與磁場的強弱無關C帶電粒子做一次圓周運動，要被加速兩次，因此交變電場的周期應為圓周運動周期的二倍D用同一回旋加速器分別加速不同的帶電粒子，一般要調(diào)節(jié)交變電場的頻率11（單選）1922年英國物理學家阿斯頓因質(zhì)譜儀的發(fā)明、同位素和質(zhì)譜的研究榮獲了諾貝爾化學獎。若一束粒子由左端射入質(zhì)譜儀后的運動軌跡如圖所示，則下列說法中正確的是：（ ）A該束帶電粒子帶負電 B速度選擇器的P1極板帶負電 C在B2磁場中運動半徑越大的粒子，質(zhì)量越大 D在B2磁場中運動半徑越大的粒子，比荷越小12（多選）回旋加速器是利用較低電壓的高頻電源使粒子經(jīng)多次加速獲得巨大速度的一種儀器，工作原理如圖，下列說法正確的是（ ）A粒子在磁場中做勻速圓周運動B粒子由A0運動到A1比粒子由A2運動到A3所用時間少C粒子的軌道半徑與它的速率成正比D粒子的運動周期和運動速率成正比13回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其核心部分是分別與高頻交流電源兩極相連接的兩個D形金屬盒，兩盒間的狹縫中形成周期性變化的電場，使粒子在通過狹縫時都能得到加速，兩D形金屬盒處于垂直于盒底的勻強磁場中，如圖所示。設D形盒半徑為R。若用回旋加速器加速質(zhì)子時，勻強磁場的磁感應強度為B，高頻交流電頻率為f , 則下列說法正確的是（ ）A質(zhì)子在勻強磁場每運動一周被加速一次B質(zhì)子被加速后的最大速度與加速電場的電壓大小有關C質(zhì)子被加速后的最大速度不可能超過2fRD不改變B和f，該回旋加速器也能用于加速粒子14如圖是質(zhì)譜儀的工作原理示意圖。帶電粒子被加速電場加速后，進入速度選擇器。速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強磁場和勻強電場的強度分別為B和E。平板S上有可讓粒子通過的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2。平板S下方有強度為B0的勻強磁場。下列表述正確的是A質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具B速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外C能通過的狹縫P的帶電粒子的速率等于E/BD粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的荷質(zhì)比越小 15如圖是質(zhì)譜儀工作原理示意圖帶電粒子被加速電場加速后，進入速度選擇器速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強磁場和勻強電場的強度分別為B和E平板S上有可讓粒子通過的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2S下方有磁感應強度為B0的勻強磁場下列表述正確的是（ ）A質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具B速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外C速度選擇器只能一種電性，且速度等于的粒子D帶電量相同的粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的質(zhì)量越大16回旋加速器的工作原理如圖所示，置于真空中的D型金屬盒半徑為R，兩金屬盒間的狹縫很小，磁感應強度為B的勻強磁場與金屬盒盒面垂直，高頻交流電的頻率為f、電壓大小恒為U，若中心粒子源放射出的質(zhì)子質(zhì)量為m，電量為+e，從靜止開始在加速器中被加速不考慮相對論效應和重力作用，則下列說法正確有A若該加速器能實現(xiàn)對質(zhì)子的加速，則上述物理量必須滿足B若該加速器能實現(xiàn)對質(zhì)子的加速，則上述物理量必須滿足C質(zhì)子最終由加速器加速獲得的最大速度隨電壓U的增大而增大D質(zhì)子最終由加速器加速獲得的最大速度隨磁感應強度B的增大而增大17回旋加速器是加速帶電粒子的裝置，其主體部分是兩個D形金屬盒。兩金屬盒處在垂直于盒底的勻強磁場中，a、b分別與高頻交流電源兩極相連接，下列說法正確的是A離子從磁場中獲得能量B離子從電場中獲得能量C增強磁感應強度可以使粒子射出時的動能增加D增大金屬盒的半徑可使粒子射出時的動能增加18關于回旋加速器加速帶電粒子所獲得的能量，下列說法正確的是（ ）A與加速器的半徑有關，半徑越大，能量越大B與加速器的磁場有關，磁場越強，能量越大C與加速器的電場有關，電場越強，能量越大D與帶電粒子的質(zhì)量有關，質(zhì)量越大，能量越大19速度相同的一束粒子由左端射入質(zhì)譜儀后分成甲、乙兩束，其運動軌跡如圖所示，其中S0AS0C，則下列說法正確的是()A甲束粒子帶正電，乙束粒子帶負電B甲束粒子的比荷大于乙束粒子的比荷C能通過狹縫S0的帶電粒子的速率等于D若甲、乙兩束粒子的電荷量相等，則甲、乙兩束粒子的質(zhì)量比為3220回旋加速器是用來加速帶電粒子的裝置，如圖所示，它的核心部分是兩個D形金屬盒，兩盒相距很近，分別和高頻交流電源相連接，在兩盒間的窄縫中形成交變電場，使帶電粒子每次通過窄縫都得到加速。兩盒放在勻強磁場中，磁場方向垂直于盒底面，帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動，通過兩盒間的窄縫時反復被加速，直到達到最大圓周半徑時通過特殊裝置被引出，如果用同一回旋加速器分別加速氚核（H）和粒子（He），比較它們所加的高頻交流電源的周期和獲得的最大動能的大小，可知A. 加速氚核的交流電源的周期較大，氚核獲得的最大動能較小B. 加速氚核的交流電源的周期較大，氚核獲得的最大動能也較大C. 加速氚核的交流電源的周期較小，氚核獲得的最大動能也較小D. 加速氚核的交流電源的周期較小，氚核獲得的最大動能較大參考答案1AC【解析】試題分析：根據(jù)法拉第電磁感應定律可知，變化的磁場在真空室內(nèi)形成感生電場，而電場能使電子加速，選項A正確；因洛倫茲力對電荷不做功，故選項B錯誤；當電磁鐵線圈電流的方向與圖示方向一致時，線圈中的電流增強，磁場就增大了，根據(jù)楞次定律，感生電場產(chǎn)生的磁場要阻礙它增大所以感生電場為順時針方向，即電流方向順時針，所以電子運動逆時針方向電場力作用下加速運動，洛倫茲力約束下做圓周運動，選項C正確，D錯誤；故選AC.考點：楞次定律.2C【解析】試題分析：粒子在質(zhì)譜儀中向下偏轉(zhuǎn)，由左手定則知粒子帶正電，選項A錯誤；粒子進入速度選擇器中時，qv0B1=qE，得，選項B錯誤；粒子進入勻強磁場B2中受到洛倫茲力而做勻速圓周運動，由牛頓第二定律得得，離狹縫S0越遠粒子的半徑就越大，由于v0是一定的，B2不變，半徑r越大，則越小，選項C正確；若增大入射速度，粒子將不能通過S0進入質(zhì)譜儀區(qū)域，選項D錯誤?？键c：本題旨在考查速度選擇器、質(zhì)譜儀的工作原理。3ABD【解析】試題分析：設粒子第1次經(jīng)過狹縫后的半徑為r1，速度為v1,由動能定理得，在磁場中做勻速圓周運動，解得 同理，粒子第2次經(jīng)過狹縫后的半徑 則故A選項正確；粒子做勻速圓周運動的最大半徑是D行盒的半徑R，則粒子的最大速度根據(jù)，獲得的最大動能為，設粒子到出口處被加速了n圈，由動能定理，解得，再由粒子做勻速圓周運動的周期為，所以粒子運動的時間為，故B選項正確；加速電場的頻率應等于粒子在磁場中做圓周運動的頻率，即，當磁場感應強度為Bm時，加速電場的頻率應為，粒子的動能，當時，粒子的最大動能由Bm決定，解得，當時，粒子的最大動能由fm決定，解得 ,故D選項正確?？键c：回旋加速器 動能定理4B【解析】試題分析：根據(jù)，則三種粒子在磁場中運動的周期分別為：；因為加速電場的頻率為，則前兩種粒子都可以在加速器中不斷的被加速，最后從D形盒中飛出，帶電粒子從D形盒中飛出時的最大半徑等于D形盒的半徑，則，最大動能為：；則兩種粒子的最大動能分別為：；則從D形盒中飛出的粒子的最大動能可能為，選項B正確.考點：回旋加速器.5AD【解析】試題分析：根據(jù)粒子在磁場中的運動軌跡，由左手定則可知，粒子帶正電，選項A正確；粒子在正交場中，受向上的洛倫茲力，故電場力向下，即速度選擇器的P1極板帶正電，選項B錯誤；根據(jù)可知，在B2磁場中運動半徑越大的粒子，質(zhì)量與電荷量的比值越大，或者比荷越小，選項C錯誤，D正確；故選AD.考點：質(zhì)譜儀。6BC【解析】試題分析：在加速器D形盒中兩個區(qū)域磁場強度相同，粒子在D1中運動的周期與D2中的周期相同（），故A錯誤；在兩個D形盒D1、D2之間加有周期性變化的電場，使粒子可以在電場力的作用下不斷加速，故BC正確；粒子在磁場中所受洛倫茲力始終與粒子運動方向垂直，洛倫茲力不做功，故D錯誤?？键c：本題考查了回旋加速器的原理7CD【解析】試題分析：帶電粒子在磁場中運動的周期可知粒子運動的周期與運動的速度無關，A錯誤；粒子最后離開磁場是時，運動的軌道半徑與D形盒的半徑相等，根據(jù)，可知離開磁場時的速度，與加速度電壓的大小無關，B錯誤，帶電粒子在磁場中運動的頻率與交變電場的頻率相等，大小為，因此交變電場的頻率跟帶電粒子的荷質(zhì)比成正比，C正確；粒子在回旋加速器中被加速的過程，而，因此粒子在回旋加速器中運動的時間t=，整理得：，與粒子的質(zhì)量和帶量無關，因此不同的粒子在同一回旋加速器中運動的時間相同，D正確?？键c：回旋加速器8D【解析】試題分析：由左手定則可知，兩種離子帶正電，選項A錯誤；在金屬板P1、P2間，由S1到S2洛倫茲力向左，故電場力向右，選項B錯誤；因為經(jīng)過速度選擇器的粒子的速度都滿足qvB=Eq，故兩種粒子的速度相同，選項C錯誤；根據(jù)可知，b的運動半徑大于a，故a粒子的比荷大于b粒子的比荷，選項D正確?？键c：質(zhì)譜儀.9D【解析】試題分析：進入B0的粒子滿足：，即：，知道粒子電量后，便可求出m的質(zhì)量，所以質(zhì)譜儀可以用來分析同位素，故A正確；由qE=qvB，得，此時離子受力平衡，可沿直線穿過選擇器，故B正確；由，知R越小，粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，荷質(zhì)比越大，故C正確；根據(jù)原理圖可知粒子帶正電，則受電場力向右，故洛倫茲力必向左，由左手定則可判斷磁場方向垂直直面向外，故D錯誤；此題選錯誤選項，故選：D.考點：質(zhì)譜儀。10D【解析】試題分析：由知，粒子速度越大，在磁場中運動的半徑越大，則粒子離開回旋加速器時的半徑最大，速度最大，動能越大為，與加速度電壓無關，與磁場的強弱有關，A、B錯誤；粒子在磁場中運動的周期為，由題意知，同期不變，C錯誤；由周期知，不同粒子荷質(zhì)比不同，則周期不同，頻率不同，用同一回旋加速器分別加速不同的帶電粒子，一般要調(diào)節(jié)交變電場的頻率，D正確?？键c：本題考查回旋加速器。11D【解析】試題分析：在磁場B2中，根據(jù)速度方向及左手定則知帶電粒子帶正電，A錯誤；在速度選擇器中，判斷洛倫磁力向上，電場力必定向下，P1為正極板，B錯誤；根據(jù)及速度相同，則半徑越大，越大，C錯誤、D正確。考點：速度選擇器、帶電粒子在勻強磁場中的運動12AC【解析】試題分析：粒子在回旋加速度中的磁場中做勻速圓周運動，A正確；每經(jīng)過電場一次，速度就變大一次，根據(jù)知每半個半圓時間相同，B、D錯誤；根據(jù)知半徑越大速度越大，C正確?？键c：回旋加速器13C【解析】試題分析：質(zhì)子在勻強磁場每運動一周被加速二次，A錯誤；質(zhì)子被加速后的最大速度與加速電場的電壓大小無關，而與D形金屬盒的半徑有關，半徑越大，加速的最大速度就越大，B錯誤；由于R=，加速的頻率f=，將二者聯(lián)立起來得，最大速度為v=2fR，C正確；不改變B和f，當加速粒子時，由于它與質(zhì)子的荷質(zhì)比不同，故周期不同，所以該回旋加速器不能用于加速粒子，D錯誤。考點：回旋回速器。14ABC【解析】試題分析：粒子在題圖中的電場中加速，說明粒子帶正電.其通過速度選擇器時，電場力與洛倫茲力平衡，則洛倫茲力方向應水平向左，由左手定則知，在速度選擇器中的磁場的方向垂直紙面向外，B正確；由Eq=Bqv可知，v=E/B，C正確；粒子打在膠片上的位置到狹縫的距離即其做勻速圓周運動的直徑，根據(jù)，可知直徑，直徑D越小，粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，此時粒子的荷質(zhì)比越大，直徑D不同，則粒子的荷質(zhì)比不同，因此，利用該裝置可以分析同位素，A正確，D錯誤?？键c：帶電粒子在電磁場中的運動15AB【解析】試題分析：通過速度選擇器的粒子速度相等，不同比荷的粒子在磁場中半徑不同，所以，質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具，A正確； 由圖知速度選擇器中由水平向右的勻強電場，粒子在速度選擇器中所受洛倫茲力與電場力方向相反，由左手定則可知，速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向外，B正確；只要粒子的速度滿足,帶電粒子就能通過速度選擇器沿直線進入狹縫P，與粒子帶電荷的正負無關；C錯誤；粒子在磁場中做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力，則,粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，r越小，粒子的比荷越大，D錯誤。故選AB?？键c：質(zhì)譜儀的原理16AD【解析】試題分析：要實現(xiàn)對質(zhì)子的加速，高頻交流電的頻率為f與質(zhì)子在勻強磁場中作勻速圓周 的頻率，A正確、B錯誤；質(zhì)子最終由加速器加速獲得的最大速度v=，與U無關，C錯誤、D正確?？键c：回旋加速器的工作原理17BCD【解析】試題分析：離子在磁場中受到洛倫茲力，但不做功，故A錯誤；帶電粒子源源不斷的在電場中處于加速狀態(tài)，從而獲得能量，故B正確；帶電粒子從D形盒中射出時的動能 Ekm=mvm2 ；帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動，則圓周半徑 ；由上述兩式可得顯然，當帶電粒子q、m一定的，則EkmR2 B2;即Ekm隨磁場的磁感應強度B、D形金屬盒的半徑R的增大而增大，與加速電場的電壓和狹縫距離無關，故CD正確；故選：BCD考點：回旋加速器.18AB【解析】試題分析：洛倫茲力充當向心力，故有，解得：，所以代入，可得：，從式子中可以看出最大動能與加速器的半徑、磁感線強度以及電荷的電量和質(zhì)量有關半徑越大，能量越大；磁場越強，能量越大；質(zhì)量和電量都大，能量不一定大，故AB正確。考點：考查了回旋加速器19B【解析】試題分析：根據(jù)左手定值可得甲帶負電，乙?guī)д?，A錯誤；根據(jù)公式，因為速度，和磁感應強度相等，所以有：，解得，故B正確；根據(jù)公式可得能沿直線通過粒子的速率為，C錯誤；若甲、乙兩束粒子的電荷量相等，根據(jù)，則甲、乙兩束粒子的質(zhì)量比為，故D錯誤.考點：考查了帶電粒子在電場中的運動20A【解析】試題分析：因為加速器所加的高頻交流電源的周期與粒子做圓周運動的周期相等，而粒子在磁場中做圓周運動的周期與粒子的運動速度還沒關系，故由公式T=可知，氚核的交流電源的周期較大，故C、D均錯誤；再根據(jù)最大動能Ek=，將氚核與氦核的相關電荷量與質(zhì)量代入，發(fā)現(xiàn)氚核獲得的最大動能較小，故A正確，B錯誤?？键c：加旋加速器。