人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器测试题

这是一份人教版 (2019)选择性必修 第二册4 质谱仪与回旋加速器测试题，共4页。试卷主要包含了选择题，非选择题等内容，欢迎下载使用。
1.4 质谱仪与回旋加速器一、选择题(本题共2小题，每题7分，共14分)1．如图所示为质谱仪测定带电粒子质量的装置示意图。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的方向垂直于纸面向里，分离器中磁感应强度B2的方向垂直于纸面向外。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m甲＝m乙<m丙＝m丁，v甲<v乙＝v丙<v丁，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(　B　)A．甲、乙、丙、丁 B．甲、丁、乙、丙C．丙、丁、乙、甲 D．甲、乙、丁、丙解析：四个粒子，只有两个粒子通过速度选择器，只有速度满足v＝，才能通过速度选择器，所以通过速度选择器进入磁场的粒子是乙和丙。由洛伦兹力公式和牛顿第二定律得qvB＝m，解得R＝，乙的质量小于丙的质量，所以乙的半径小于丙的半径，则乙打在P3点，丙打在P4点。甲的速度小于乙的速度，即小于，洛伦兹力小于电场力，粒子向下偏转，打在P1点。丁的速度大于乙的速度，即大于，洛伦兹力大于电场力，粒子向上偏转，打在P2点。故答案为B。 2．(多选)如图所示为一种质谱仪的示意图，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，通道内均匀辐射电场，在中心线处的电场强度大小为E，磁分析器有范围足够大的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B、方向垂直于纸面向外。一质量为m、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。下列说法正确的是(　AD　)A．极板M比极板N的电势高B．加速电场的电压U＝ERC．直径PQ＝2BD．若一群粒子从静止开始经过题述过程都落在胶片上的同一点，则该群粒子具有相同的比荷解析：粒子在静电分析器内沿电场线方向偏转，说明粒子带正电荷，极板M比极板N的电势高，选项A正确；由Uq＝mv2和Eq＝可得U＝，选项B错误；在磁场中，由牛顿第二定律得qvB＝m，即r＝，直径PQ＝2r＝＝2，可见只有比荷相同的粒子才能打在胶片上的同一点，选项C错误，D正确。二、非选择题3．(12分)某种回旋加速器的设计方案如图甲所示，图中粗黑线段为两个正对的极板，两个极板的板面中部各有一狭缝(沿OP方向的狭长区域)，带电粒子可通过狭缝穿越极板(如图乙所示)，当带电粒子每次进入两极板间时，板间电势差为U(下极板电势高于上极板电势)，当粒子离开两极板后，极板间电势差为零；两细虚线间(除开两极板之间的区域)既无电场也无磁场；其他部分存在匀强磁场，磁感应强度方向垂直纸面。在离子源S中产生的质量为m、电荷量为q(q>0)的离子，由静止开始被电场加速，经狭缝中的O点进入磁场区域，O点到极板右端的距离为D，到出射孔P的距离为4D，已知磁感应强度大小可以调节，离子从离子源上方的O点射入磁场区域，最终只能从出射孔P射出，假设离子打到器壁或离子源外壁则即被吸收。忽略相对论效应，不计离子重力，求：(1)离子从出射孔P射出时磁感应强度的最小值；(2)调节磁感应强度大小使B1＝，计算离子从P点射出时的动能。解析：(1)设离子从O点射入磁场时的速率为v，有qU＝mv2。设离子在磁场中做匀速圆周运动的轨迹半径为r，qvB＝。若离子从O点射出后只运动半个圆周即从孔P射出，有r＝2D。此时磁感应强度取得最小值，且最小值为Bmin＝；(2)若B1＝，根据qvB＝m，解得r1＝。分析可知离子在磁场中运动半圈后将穿过上极板进入电场区域做减速运动，速度减到零后又重新反向加速至进入时的速率，从进入处再回到磁场区域，因为r1＝，这样的过程将进行2次。由几何关系可知，离子将在距P点的位置经电场加速进入磁场绕过两极板右端从下极板进入电场区域再次被加速，半径不断增大，但每次从下极板进入电场的位置相同，经过多次加速后离子从孔P射出时的半径满足rn＝，此时速度最大设为vm，根据qvmB1＝m，解得vm＝8。从P射出时的动能为Ek＝mv＝64qU。4．(14分)利用质谱仪可以测定有机化合物的分子结构，质谱仪的结构如图所示。有机物的气体分子从样品室注入离子化室，在高能电子作用下，样品气体分子离子化或碎裂成离子(如C2H6离子化后得到C2H、C2H、CH等)。若离子化后得到的离子均带一个单位的正电荷e，初速度为零，此后经过高压电源区、圆形磁场室、真空管，最后在记录仪上得到离子，通过处理就可以得到离子的质荷比()，进而推测有机物的分子结构。已知高压电源的电压为U，圆形磁场区的半径为R，真空管与水平面夹角为θ，离子进入磁场室时速度方向指向圆心。(1)请说明高压电源A端是“正极”还是“负极”，磁场室内的磁场方向“垂直纸面向里”还是“垂直纸面向外”；(2)C2H和C2H离子同时进入磁场室后，出现了轨迹Ⅰ和Ⅱ，试判定两种离子各自对应的轨迹，并说明原因；(3)若磁感应强度为B时，记录仪接收到一个明显信号，该信号对应的离子质荷比＝，正确吗？答案：(1)负极　垂直纸面向外　(2)C2H对应轨迹Ⅱ，C2H对应轨迹Ⅰ　(3)正确解析：(1)正离子在电场中加速，可知高压电源A端为负极；根据左手定则知，磁场室内的磁场方向垂直纸面向外。(2)设离子通过高压电源后的速度为v，由动能定理可得eU＝mv2；离子在磁场中偏转，洛伦兹力提供向心力，有evB＝m；两式联立解得r＝，由此可见离子均带一个单位正电荷，电量相等，故质量大的离子的轨迹半径大，故C2H对应轨迹Ⅱ，C2H对应轨迹Ⅰ。(3)离子在磁场中偏转，运动轨迹如图所示：由几何关系可得r＝，结合r＝可得＝，故正确。