物理4 质谱仪与回旋加速器课后测评

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 2020-2021学年人教版（2019）选择性必修第二册 1.4质谱仪与回旋加速器 同步课时作业（含解析）1.回旋加速器给带电粒子加速时，不能把粒子的速度无限制地增大，其原因是(   )A.加速器功率有限，不能提供足够大的能量B.加速器内无法产生磁感强度足够大的磁场C.加速器内无法产生电场强度足够大的电场D.速度增大使粒子质量增大，粒子运行的周期与交变电压不再同步，无法再加速2.医生做某些特殊手术时，利用电磁血流计来监测通过动脉的血流速度.电磁血流计由一对电极a和b及一对磁极N和S构成，磁极间的磁场是均匀的.使用时，两电极a、b均与血管壁接触，两触点的连线、磁场方向和血流速度方向两两垂直，如图所示.由于血液中的正负离子随血流一起在磁场中运动，电极a、b之间会有微小电势差.在达到平衡时，血管内部的电场可看成匀强电场，血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零.在某次监测中，两触点的距离为3.0 mm，血管壁的厚度可忽略，两触点间的电势差为160 μV，磁感应强度的大小为0.040 T.则血流速度的近似值和电极a、b的正负为(   )A.1.3 m/s，a正、b负 B.2.7 m/s，a正、b负 C.1.3 m/s，a负、b正 D.2.7 m/s，a负、b正3.霍尔效应已经被广泛应用于科研、生产和生活中.通电导体中的自由电荷定向移动时受到洛伦兹力而发生偏转产生霍尔电势差.如图所示，一矩形薄片放置在竖直向下（垂直两面）的匀强磁场B中，沿垂直两面的方向通以恒定电流I，则(   )A.在两面间存在霍尔电势差B.一定是a面电势高于b面电势C.通过两面电势高低可以判断薄片中载流子的电性D.电解液（同时存在等电荷量的正、负离子）导电也能产生霍尔效应4.如图所示为速度选择器装置示意图，水平放置的平行金属板，其电容为C，板间距离为d，平行板内存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为板分别带上等量异种电荷后，平行板内产生竖直方向的匀强电场.一带电粒子以速度经小孔进入正交电磁场后可沿直线运动，由射出，粒子所受重力不计，以下说法正确的是(   )A.a板带负电，其电荷量为B.a板带正电，其电荷量为C.极板间的电场强度，方向竖直向下D.若粒子的初速度大于，粒子在极板间将向右上方做匀加速曲线运动5.质谱仪可测定同位素的组成，现有一束一价的钾39和钾41离子经电场加速后，沿着与磁场边界垂直的方向进入匀强磁场中，如图所示.测试时规定加速电压大小为，但在实验过程中加速电压有较小的波动，可能偏大或偏小.为使钾39和钾41打在照相底片上的区域不重叠，不计离子的重力，则不得超过(   )A. B. C. D.6.如图所示为一种质谱仪，由加速电场、静电分析器和磁分析器组成.若静电分析器通道中心线的半径为R，通道内均匀辐射的电场在中心线处的电场强度大小为E，磁分析器中有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向外.一质量为m、带电荷量为q的粒子从静止开始经加速电场加速后沿中心线通过静电分析器，由P点垂直边界进入磁分析器，最终打到胶片上的Q点.不计粒子重力，下列说法不正确的是(   )A.粒子一定带正电B.加速电场的电压为C.D.若一群粒子从静止开始经过上述过程都落在胶片上同一点，则该群粒子具有相同的比荷7.关于洛伦兹力的应用，下列说法正确的是（   ）A.图a速度选择器中筛选出的粒子沿着PQ做匀加速直线运动B.图b回旋加速器接入的工作电源是直流电C.图c是质谱仪的主要原理图.其中在磁场中偏转半径最大的是D.图d是磁流体发电机，将一束等离子体喷入磁场，A，B两板间会产生电压，且A板电势高8.如图所示为回旋加速器原理示意图，两个靠得很近的D形盒处在与盒面垂直的匀强磁场中，一质子从加速器的A处开始加速.已知D形盒的半径为R，磁场的磁感应强度为B，高频交变电源的电压为U、频率为f，质子的质量为m、电荷量为q.下列说法正确的是(   )A.质子的最大速度不超过 B.质子的最大动能为C.质子的最大动能与电压U无关 D.只增大磁感应强度B，可增大质子的最大动能9.电磁流量计广泛应用于测量导电液体（如污水）的流量.如图所示，流量计是由绝缘材料制成的管道，其长、宽、高分别为，流量计左右两端开口.在垂直于上下底面的方向上有磁感应强度大小为B的匀强磁场，在前后两个侧面的内侧分别固定有金属板作为电极.充满管道的污水从左向右稳定地流经流量计时，接在两端间的电压表显示出两个电极间的电压为U.若用Q表示污水流量（单位时间内排出的污水体积），则下列说法正确的是(   )A.N端的电势比M端的电势高B.N端的电势比M端的电势低C.污水中离子的浓度越高，电压U越大D.污水流量Q与电压表的示数U成正比，与无关10.如图所示为磁流体发电机的原理图，将一束等离子体垂直于磁场方向射入磁场，在磁场中有两块金属板，这时金属板上就会聚集电荷，两板间就会产生电压，如果射入的等离子体速度均为v，两金属板间距离为d，板平面的面积为S，匀强磁场的磁感应强度为B，方向垂直于速度方向，负载电阻为R，等离子体充满两板间的空间.当发电机稳定发电时，电流表示数为I，下列说法正确的是(   )A.上极板A带负电  B.两极板间的电动势为C.板间等离子体的内阻为 D.板间等离子体的电阻率为11.自行车速度计是利用霍尔传感器获知自行车的运动速率.如图甲所示，自行车前轮上安装一块磁铁，轮子每转一圈，这块磁铁就靠近传感器一次，传感器会输出一个脉冲电压.图乙为霍尔传感器的工作原理图.当磁铁靠近霍尔传感器时，导体内定向运动的自由电荷在磁场力作用下偏转，最终使导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现电势差，即为霍尔电势差.下列说法正确的是(   )A.根据单位时间内的脉冲数和前轮半径即可获知车速大小B.自行车的车速越大，霍尔电势差越高C.图乙中电流I是由正电荷定向移动形成的D.如果长时间不更换传感器的电源，霍尔电势差将减小

               
答案以及解析1.答案：D解析：回旋加速器中带电粒子运动的周期为，当粒子速度比较小时，可以认为其质量是不变的，那么其周期也不变。但当粒子的速度很大，接近光速时，其质量明显增大，周期也发生了明显变化，粒子运行的周期与交变电压不再同步，无法再加速。2.答案：A解析：血液中正负离子流动时，根据左手定则，正离子受到向上的洛伦兹力，负离子受到向下的洛伦兹力，所以正离子向上偏，负离子向下偏，则电极a为正，电极b为负，故C、D错误；最终血液中的离子所受的电场力和磁场力的合力为零，有，所以血流速度，故A正确，B错误.3.答案：C解析：在霍尔效应中，霍尔电势差对应方向、磁场方向和通电电流方向相互垂直，因此一定是在两面间存在霍尔电势差，A错误；由左手定则可以判断，当薄片中载流子带正电荷时，，当薄片中载流子带负电荷时，则，B错误，C正确；电解液中存在等电荷量的正、负离子，通电时电解液中正、负离子的运动方向相反，所受洛伦兹力方向相同，向相同方向偏转，因此不能产生霍尔效应，D错误.4.答案：C解析：粒子所受洛伦兹力与电场力大小相等、方向相反时，才能沿直线通过平行金属板，则板间电场方向竖直向下，a板带正电，则有，得，则，故A、B错误，C正确.若该粒子带正电，且初速度大于，则粒子所受洛伦兹力大于电场力，可知粒子向上偏转，随着速度的变化，洛伦兹力大小和方向都变化，可知粒子做曲线运动，但不是匀加速曲线运动，故D错误.5.答案：D解析：设加速电压为U，磁场的磁感应强度大小为B，离子的电荷量为q，质量为m，轨迹半径为R，则有，解得，由此式可知，在不变时，质量(m)小的离子轨迹半径小，所以钾39离子的轨迹半径小，钾41离子的运动半径大；在不变时，加速电压(U)大的离子轨迹半径大.设钾39质量为，电压为时，最大半径为；钾41质量为，电压为时，最小半径为，则，令，则，解得，已知钾39与钾41打在照相底片上的区域不重叠，则不得超过，故A、B、C错误，D正确.6.答案：C解析：由粒子从P运动到Q可以判断粒子带正电，故A说法正确；粒子在加速电场中加速时，由动能定理有，粒子在静电分析器中沿中心线做匀速圆周运动，此时粒子所受电场力恰好提供向心力，有，联立可得加速电场的电压，故B说法正确；粒子在磁分析器中运动时，由洛伦兹力提供向心力，有，结合B项可得粒子在磁场中运动的轨迹半径，所以，故C说法错误；由C项可知，若一群粒子从静止开始经过上述过程都落在胶片上同一点，均保持不变，则该群粒子具有相同的比荷，故D说法正确.本题选错误的，故选C.7.答案：C解析：带电粒子在图a速度选择器中运动时受到电场力和洛伦兹力，二力平衡，沿着PQ做匀速直线运动，被筛选出来，选项A错误；图b中回旋加速器，带电粒子在D形盒中做匀速圆周运动.经过D形盒之间的狭缝时加速，所以回旋加速器接入的工作电源是与带电粒子在回旋加速器中运动周期相同的交流电.选项B错误；图c是质谱仪的主要原理图，粒子经电场加速有，在磁场中运动时洛伦兹力提供向心力，有，解得，由此可知在磁场中偏转半径最大的是比荷()最小的粒子，三种粒子电荷量相同，质量最大，所以在磁场中偏转半径最大的是，C正确；将一束等离子体喷入磁场.根据左手定则可知，正离子向下偏转，负离子向上偏转.A，B两板间会产生电压.且B板电势高，D错误。8.答案：ACD解析：质子射出回旋加速器时的速度最大，此时的半径为R，则，所以质子的最大速度不超过，故A正确.根据洛伦兹力提供向心力，有，则质子的最大动能，与电压U无关，故B错误，C正确；由可知，只增大磁感应强度B，可增大质子的最大动能，故D正确.9.答案：AD解析：正、负离子随污水向右移动，离子受到洛伦兹力，根据左手定则可知正离子向后表面偏，负离子向前表面偏，所以前表面比后表面电势低，即N端的电势比M端的电势高，故选项A正确，B错误；最终正、负离子在电场力和洛伦兹力的共同作用下达到平衡，则，解得，电压U与污水中离子的浓度无关，选项C错误；污水流量，则污水流量Q与电压表的示数U成正比，与无关，选项D正确.10.答案：ACD解析：由左手定则可以判断正电荷受到的洛伦兹力方向向下，所以正电荷会聚集到B板上，负电荷受到的洛伦兹力方向向上，负电荷聚集到A板上，故B板相当于电源的正极，A板相当于电源的负极，故A正确.最终稳定时，电荷所受洛伦兹力和电场力平衡，有，解得，故B错误.根据闭合电路欧姆定律得等离子体的内阻，由电阻定律得，解得，故C、D正确.11.答案：AD解析：根据单位时间内的脉冲数，可求得车轮转动周期，从而求得车轮转动的角速度，最后由线速度公式结合前轮半径，即可求解车速大小，故A正确；根据洛伦兹力等于电场力有，可得，根据电流的微观定义式，可得，联立解得，可知霍尔电压与车速大小无关，故B错误；图乙中电流I是由负电荷定向移动形成的，故C错误；根据公式，若长时间不更换传感器的电源，则电流I减小，则霍尔电势差将减小，故D正确.