4 质谱仪与回旋加速器 [学习目标] 1.知道质谱仪的构造及工作原理，会确定粒子在磁场中运动的半径，会求粒子 的比荷.2.知道回旋加速器的构造及工作原理，知道交流电的周期与粒子在磁场中运动的周期 之间的关系，知道决定粒子最大动能的因素． 一、质谱仪 1．质谱仪构造：主要构件有加速电场、偏转磁场和照相底片． 2．运动过程(如图1) 图1 (1)带电粒子经过电压为U 的加速电场加速，qU＝mv2 的加速电场加速，qU＝mv2. (2)垂直进入磁感应强度为B 的匀强磁场中，做匀速圆周运动，r＝，可得r＝. 3．分析：从粒子打在底片D 上的位置可以测出圆周的半径r，进而可以算出粒子的比荷． 二、回旋加速器 1．回旋加速器的构造：两个D 形盒，两D 形盒接交流电源，D 形盒处于垂直于D 形盒的匀 强磁场中，如图2. 图2 2．工作原理 (1)电场的特点及作用 特点：两个D 形盒之间的窄缝区域存在周期性变化的电场． 判断下列说法的正误． (1)质谱仪工作时，在电场和磁场确定的情况下，同一带电粒子在磁场中的半径相同．( √ ) (2)因不同原子的质量不同，所以同位素在质谱仪中的轨迹半径不同．( √ ) (3)利用回旋加速器加速带电粒子，要提高加速粒子的最终速度，应尽可能增大磁感应强度B 和D 形盒的半径R.( √ ) (4)增大两D 形盒间的电压，可以增大带电粒子所获得的最大动能．( × ) 一、质谱仪 导学探究

处产生的磁场合磁感应强度大小为B0 D．导线b、c 在A 处产生的磁场合磁感应强度大小为 3 B0 12．回旋加速器两个D 形金属盒分别和一高频交流电源两极相接，两盒放在匀强磁场中， 带电粒子经过回旋加速器加速后可以获得很大的动能。利用同一回旋加速器，仅改变 高频交流电源的频率就可以实现对不同种类的粒子加速。用同一加速器先后加速质子 和α粒子（α粒子的电荷数为2，质量数为4），不考虑粒子在D 型盒狭缝中电场里的 型盒狭缝中电场里的 运动时间，下列说法正确的是 A．加速α粒子时所用的交流电源的频率是加速质子的2 倍 B．质子和α粒子最终获得的最大动能相等 C．质子和α粒子在回旋加速器中加速的次数相等 D．质子和α粒子在回旋加速器中运动的时间相等 0 x/m t/s 4 8 12 2 4 6 m2 m2 m1 m1 a b c A B C × 高二物理试题 第4页（共6页） 三、非选择题：本题共6

年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，凭借此项成果，他于1939 年获得诺贝 尔物理学奖，其原理如图所示，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忽略；磁感应强度为B 的匀强磁场与盒面垂直，高频交流 电频率为f，加速电压为U。若A 处粒子源产生质子的质量为m、电荷量为+q，在加 速过程中不考虑相对论效应和重力的影响。则下列说法正确的是（ ） 世界上第一台回旋加速器 A.带电粒子由加速器的边缘进入加速器 带电粒子由加速器的边缘进入加速器 高二物理（A 版） 第3 页 共8 页 B.被加速的带电粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而增大 C.质子离开回旋加速器时的最大动能与D 形盒半径成正比 D.该加速器加速质量为4m、电荷量为2q 的α粒子时，交流电频率应变为 f 2 7.硅光电池是一种太阳能电池，具有低碳环保的优点。如图所示，图线a 是该电池在某光 照强度下路端电压U 和电流I

处产生的磁场合磁感应强度大小为B0 D.导线b、c 在A 处产生的磁场合磁感应强度大小为3B0 12.回旋加速器两个D 形金属盒分别和一高频交流电源两极相接，两盒放在匀强磁场中，带 电粒子经过回旋加速器加速后可以获得很大的动能。利用同一回旋加速器，仅改变高频交 流电源的频率就可以实现对不同种类的粒子加速。用同一加速器先后加速质子和α 粒子(α 粒子的电荷数为2，质量数为4)，不考虑粒子在D 型盒狭缝中电场里的运动时间，下列说 型盒狭缝中电场里的运动时间，下列说 法正确的是 A.加速α 粒子时所用的交流电源的频率是加速质子的2 倍 B.质子和α 粒子最终获得的最大动能相等 C.质子和α 粒子在回旋加速器中加速的次数相等 D.质子和α 粒子在回旋加速器中运动的时间相等 三、非选择题：本题共6 小题，共60 分。 13.(6 分)某同学在“测定玻璃的折射率”的实验中，为测量入射光线AO 的入射角θ1和折射 光线的折射角θ2

D．磁铁插向右环，右环中产生感应电动势和感应电流 10．如图所示为回旋加速器示意图，利用回旋加速器对 2 1H 粒子进行加速，此时D 形盒中的 磁场的磁感应强度大小为B，D 形盒缝隙间电场变化周期为T。 忽略粒子在D 形盒缝隙间的 运动时间和相对论效应，下列说法正确的是（ ） A．保持B 和T 不变，该回旋加速器可以加速质子 B．保持B 和T 不变，该回旋加速器可以加速 4 2He 粒子，加速后的最大速率与 粒子，加速后的最大速率与 2 1H 粒子的相等 C．保持B 和T 不变，该回旋加速器可以加速 4 2He 粒子，且在回旋加速器中运 动的时间与 2 1H 粒子的相等 D．保持B 和T 不变，该回旋加速器可以加速 4 2He 粒子，加速后的最大动能与 2 1H 粒子的相 等 11．如图，电源电动势为E、内阻值为r，R1 是滑动变阻器，R2 是定值电阻器，C 是平行板 电容器，MN 是电路中导线上的两个点，将单刀双掷开关S

去掉平面镜， 光屏上的明暗条 纹位置互换 11. 如图所示为回旋加速器示意图， 利用回旋加速器对 2 1H粒子进行加速， 此时D形盒中的 磁场的磁感应强度大小为B， D形盒缝隙间电场变化周期为T。忽略 粒子在D形盒缝隙间的运动时间和相对论效应， 下列说法正确的是 A. 若被加速粒子换成 4 2He， 则 4 2He 粒子在回旋加速器中运动的时间 与 2 1H粒子的相等 B. 若被加速粒子换成 若被加速粒子换成 4 2He， 则 4 2He 粒子在回旋加速器中运动的时间 大于 2 1H粒子的运动时间 C. 仅调整磁场的磁感应强度大小为B 2 ， 该回旋加速器可以加速质子 D. 仅调整电场变化周期为2T， 该回旋加速器可以加速质子 12. 如图所示， 两电阻可以忽略不计的光滑平行金属长直导轨固定在水平面上， 相距为L。 导轨间存在竖直向下的匀强磁场， 磁感应强度大小为 B。导体棒a、

中电流Ic 一定小于b 中电流Ib 7．如图所示为回旋加速器的示意图．两个靠得很近的D 形金属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2πRf B．质子在回旋加速器中共加速了���2������2 ������次 C．若忽略在电场中的运动时间，质子在回旋加速器中的运动时间为���������2 ��� D．若只增大磁感应强度B，回旋加速器仍可正常工作 8．如图是质谱仪工作原理示意图。带电粒子a、b 从容器中的A 点飘出（在A 点初速度为零） ，经 电压U 加速后，从x 轴坐标原点处进入磁感应强度为B 的匀强磁场，最后分别打在感光板S 上， 坐标分别为x1、x2。图中半圆形虚线分别表示带电粒子a、b 所通过的路径，则（

中电流Ic 一定小于b 中电流Ib 7．如图所示为回旋加速器的示意图．两个靠得很近的D 形金属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2πRf B．质子在回旋加速器中共加速了���2������2 ������次 C．若忽略在电场中的运动时间，质子在回旋加速器中的运动时间为���������2 ��� D．若只增大磁感应强度B，回旋加速器仍可正常工作 8．如图是质谱仪工作原理示意图。带电粒子a、b 从容器中的A 点飘出（在A 点初速度为零） ，经 电压U 加速后，从x 轴坐标原点处进入磁感应强度为B 的匀强磁场，最后分别打在感光板S 上， 坐标分别为x1、x2。图中半圆形虚线分别表示带电粒子a、b 所通过的路径，则（

闭合，磁铁上下振动时会有机械能转化成电能 10．回旋加速器工作原理示意图如图所示，磁感应强度为B 的匀 强磁场与盒面垂直， 两盒间的狭缝很小， 粒子穿过的时间可忽略， 它们接在电压为U、频率为f 的交流电源上，若A 处粒子源产生 的质子在加速器中被加速，下列说法正确的是 试卷第4页，共8页 A．若只增大交流电压U，则质子获得的最大动能增大 B．若只增大交流电压U，则质子在回旋加速器中运行时间会变短 C．若磁感应强度B C．若磁感应强度B 增大，交流电频率f 必须适当减小才能正常工作 D．需要改变磁感应强度B 和交流电频率f，该回旋加速器才能用于加速其他粒子 11．一长直导线与闭合金属线框放在同一竖直面内，如图甲所示，长直导线中的电流i 随时 间t 的变化关系如图乙所示（以竖直向上为电流的正方向） ． 则在0～T 时间内，下列说法正 确的是 A．0～3 T 时间内，穿过线框的磁通量最小 B．3 T ～2

B．磁感应强度大小为 C．磁感应强度大小为 D．磁感应强度大小为 7．如图所示为回旋加速器的示意图，用回旋加速器加速某带电粒子时，匀强磁场的磁感应强度为B，高频交流 电周期为T。设D 形盒半径为R，不计粒子在两极板间运动的时间，则下列说法正确的是（ ） A．粒子在磁场中被加速 B．粒子在电场中被加速 C．被加速的粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而增大 D．若只增大交流电源的电压U，则粒子的最大动能将增大 金属杆恰好静止，则安培力和重力沿斜面方向的分力相等 整理得到 选项C 正确，ABD 错误； 故选C。 7．B 【解析】AB．在回旋加速器中，粒子在经过电场的时候被加速，在磁场中，因为洛伦兹力不做功，所以粒子的 速率保持不变，不会被加速，A 错误，B 正确； C．根据周期公式 可知，被加速的粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期与半径无关，C 错误； D．当粒子被加速到最大速度时，由洛伦兹力提供向心力得 最大动能