2023版新教材高中物理第1章安培力與洛倫茲力微點8質譜儀課時作業(yè)新人教版選擇性必修第二冊

微點8質譜儀1．如圖是質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．速度選擇器內正交的勻強磁場和勻強電場的磁感應強度和電場強度分別為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下方有磁感應強度為B0的勻強磁場．下列表述正確的是()A．該帶電粒子帶負電B．速度選擇器中的磁場方向垂直紙面向里C．能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于eq\f(B,E)D．粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的比荷越大2．質譜儀的兩大重要組成部分是加速電場和偏轉磁場．如圖所示為質譜儀的原理圖，設想有一個靜止的質量為m、帶電荷量為q的粒子(不計重力)，經電壓為U的加速電場加速后垂直進入磁感應強度為B的偏轉磁場中，帶電粒子打到底片上的P點，設OP＝x，則下列能正確反映x與U之間的函數(shù)關系的是()3．質譜儀原理如圖所示．電荷量為q、質量為m的離子從容器A下方的狹縫S1飄入(初速度視為零)電壓為U的加速電場區(qū)，然后從S3沿著與磁場垂直的方向進入磁感應強度為B的勻強磁場，最終到達照相底片D上，則離子在磁場中運動的軌道半徑為()A．eq\f(1,B)eq\r(\f(q,2mU))B．eq\f(1,B)eq\r(\f(2mU,q))C．Beq\r(\f(q,2mU))D．Beq\r(\f(2mU,q))4.用質譜儀分析比質子重很多倍的離子，其示意圖如圖所示，其中加速電壓恒定．質子在入口處從靜止開始被加速電場加速，經勻強磁場偏轉后從出口P離開磁場．若某種一價正離子在入口處從靜止開始被同一加速電場加速，為使它經勻強磁場偏轉后仍從P點離開磁場，需將磁感應強度增加到原來的11倍．則此離子和質子的質量之比為()A．11B．12C．144D．1215．(多選)質譜儀是可以用來分析同位素的裝置，如圖所示．電容器兩極板相距為d，兩板間電壓為U，極板間勻強磁場的磁感應強度為B1，一束含有eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H(氕核)、eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H(氘核)、eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))He(氦核)的粒子束沿電容器的中線平行于極板射入電容器，沿直線穿過電容器后從O點進入另一磁感應強度為B2的勻強磁場，結果分別打在感光片上的a、b兩點，不計重力．則以下分析正確的是()A．速度選擇器中的磁場B1方向垂直紙面向外B．粒子進入勻強磁場B2時的速度v＝eq\f(U,B2d)C.打在a點的粒子中有eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H粒子D．粒子打在a、b兩點間的距離等于Ob間距離的一半6．質譜儀是一種測定帶電粒子質量或分析同位素的重要設備，它的構造原理如圖所示，離子源S產生的比荷為k的離子束(速度可視為零)，經M、N兩板間大小為U的加速電壓加速后從小孔S1垂直于磁感線進入勻強磁場，運轉半周后到達照相底片上的P點．已知P點到小孔S1的距離為x，勻強磁場的方向垂直于紙面向外，則下列說法不正確的是()A．M板帶正電B．粒子進入勻強磁場的速度大小為eq\r(2kU)C．勻強磁場的磁感應強度大小為eq\f(2,x)eq\r(\f(2U,k))D．x相同，對應離子的比荷可能不相等7．速度相同的一束粒子由左端射入質譜儀后分成甲、乙兩束，其運動軌跡如圖所示，其中3S0A＝2S0C，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．甲束粒子的比荷小于乙束粒子的比荷C．能通過狹縫S0的帶電粒子的速率等于eq\f(E,B1)D．若甲、乙兩束粒子的電荷量相等，則甲、乙兩束粒子的質量比為3∶28．如圖所示為質譜儀結構簡圖，質量數(shù)分別為40和46的正二價鈣離子先經過電場加速(初速度忽略不計)，接著進入勻強磁場，最后打在底片上．實際加速電壓通常不是恒定值，而是有一定范圍．若加速電壓取值范圍為(U－ΔU，U＋ΔU)，兩種離子打在底片上的區(qū)域恰好不重疊，則eq\f(ΔU,U)的值約為()A．0.07B．0.10C．0.14D．0.179．用質譜儀測量帶電粒子的比荷，其原理如圖所示，A是粒子源，釋放出的帶電粒子(不計重力)，經小孔S1飄入電壓為U的加速電場(初速度可忽略不計)，加速后經小孔S3進入磁感應強度為B的勻強磁場中，最后打在照相底片上D點．測得D點到S3的距離為d，則該粒子的比荷eq\f(q,m)為()A．eq\f(2U,B2d2)B．eq\f(4U,B2d2)C．eq\f(8U,B2d2)D．eq\f(16U,B2d2)10．質譜儀可以測定有機化合物分子結構，其過程可簡化為如圖所示．樣品室現(xiàn)有某有機物氣體分子在離子化室碎裂成帶正電、初速度為零的離子，再經過高壓電源區(qū)、圓形磁場室(內為勻強磁場)、真空管，最后打在記錄儀上，通過測量可測出離子比荷，從而推測有機物的分子結構．已知高壓電源區(qū)的電壓為U，圓形磁場區(qū)的半徑為R，內部的磁感應強度大小為B.真空管與水平面夾角為θ，離子進入磁場室時速度方向指向圓心．則()A．高壓電源A端接電源的正極B．磁場室內磁場方向為垂直紙面向里C．磁場室內兩同位素的運動軌跡分別為軌跡Ⅰ和Ⅱ，則軌跡Ⅰ的同位素質量較大D.記錄儀接收到的信號對應的離子比荷eq\f(q,m)＝eq\f(2Utan2\f(θ,2),B2R2)11．如圖所示為一種質譜儀的工作原理示意圖，此質譜儀由以下幾部分構成：離子源、加速電場、靜電分析器、磁分析器、收集器．靜電分析器通道中心線MN所在圓的半徑為R，通道內有均勻輻射的電場，中心線處的電場強度大小為E；磁分析器中分布著方向垂直于紙面，磁感應強度為B的勻強磁場，磁分析器的左邊界與靜電分析器的右邊界平行．由離子源發(fā)出一個質量為m、電荷量為＋q的離子(初速度為零，重力不計)，經加速電場加速后進入靜電分析器，沿中心線MN做勻速圓周運動，而后由P點進入磁分析器中，最終經過Q點進入收集器(進入收集器時速度方向與O2P平行).下列說法正確的是()A．磁分析器中勻強磁場的方向垂直于紙面向內B．加速電場中的加速電壓U＝eq\f(1,2)ERC．磁分析器中軌跡圓心O2到Q點的距離d＝eq\r(\f(mER,q))D．任何帶正電的離子若能到達P點，則一定能進入收集器[答題區(qū)]題號123456答案題號7891011答案12.質譜儀原理如圖所示，a為粒子加速器，電壓為U1；b為速度選擇器，磁場與電場正交，磁感應強度為B1，板間距離為d；c為偏轉分離器，磁感應強度為B2.今有一質量為m、電荷量為e的正粒子(不計重力)，在加速場中由靜止加速后，該粒子沿著虛線勻速通過速度選擇器，粒子進入分離器后做勻速圓周運動．求：(1)粒子的速度v的大小；(2)速度選擇器的電壓U2；(3)粒子在B2磁場中做勻速圓周運動的半徑R.微點8質譜儀1．答案：D解析：根據題圖，由左手定則可以知道粒子帶正電，選項A錯誤；粒子帶正電，在速度選擇器中所受電場力向右，則洛倫茲力向左，由左手定則可判斷磁場方向垂直紙面向外，選項B錯誤；由qE＝qvB得v＝eq\f(E,B)，此速率的離子在速度選擇器中受力平衡，可沿直線運動，選項C錯誤；由qvB0＝eq\f(mv2,R)可得eq\f(q,m)＝eq\f(v,B0R)，v、B0相等，知比荷越大，R越小，選項D正確．2．答案：B解析：帶電粒子先經加速電場加速，有qU＝eq\f(1,2)mv2；進入磁場后偏轉，x＝2r＝eq\f(2mv,qB)；兩式聯(lián)立得x＝eq\r(\f(8mU,B2q))，知x∝eq\r(U)，選項B正確．3．答案：B解析：粒子在電場中加速時，根據動能定理有qU＝eq\f(1,2)mv2帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動，有qvB＝meq\f(v2,r)聯(lián)立解得r＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2mU,q))，故選B.4．答案：D解析：假設質量為m、帶電荷量為q的粒子在質譜儀中運動，設粒子在勻強磁場中運動的速度為v，粒子在加速電場中加速運動，由動能定理可得Uq＝eq\f(1,2)mv2，解得v＝eq\r(\f(2qU,m))；粒子在磁場中做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力，則有qvB＝meq\f(v2,R)，解得R＝eq\f(mv,qB)＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2Um,q)).因為離子和質子從同一出口離開磁場，所以它們在磁場中運動的半徑相等，即eq\f(1,B0)eq\r(\f(2Um質,e))＝eq\f(1,11B0)eq\r(\f(2Um離,e))，可得離子和質子的質量之比為m離∶m質＝121∶1，選項D正確，A、B、C錯誤．5．答案：AC解析：帶電粒子在電容器中做勻速直線運動，洛倫茲力與電場力平衡，粒子所受電場力向上，可知洛倫茲力向下，根據左手定則，速度選擇器中的磁場B1方向垂直紙面向外，故A正確；由二力平衡，可得qvB1＝qeq\f(U,d)，解得v＝eq\f(U,B1d)，故B錯誤；粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力，由qvB2＝meq\f(v2,R)解得R＝eq\f(mv,qB2)，聯(lián)立可得R＝eq\f(mU,qB2B1d)打在感光片上的點到O點的距離為d＝2R＝eq\f(2mU,qB2B1d)與粒子的eq\f(m,q)成正比，eq\o\al(\s\up1(1),\s\do1(1))H(氕核)打在b點，eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))H(氘核)和eq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(1))He(氦核)打在a點，故C正確；根據C選項分析，可知Oa距離是Ob距離的兩倍，所以粒子打在a、b兩點間的距離等于Ob間距離，故D錯誤．6．答案：D解析：因為洛倫茲力提供向心力，根據左手定則知，偏轉粒子帶正電，而粒子是從MN間加速出來的，故電場力向上，則電場強度向上，故M板帶正電，故A正確，不符合題意；根據動能定理qU＝eq\f(1,2)mv2又有k＝eq\f(q,m)聯(lián)立可得v＝eq\r(2kU)故B正確，不符合題意；根據洛倫茲力提供向心力Bqv＝meq\f(v2,r)，半徑為r＝eq\f(x,2)聯(lián)立可得B＝eq\f(2,x)eq\r(\f(2U,k))由此可知x相同，磁感應強度B相同，則對應離子的比荷相等，故C正確，不符合題意，D錯誤，符合題意．故選D.7．答案：C解析：甲粒子在磁場中向上偏轉，乙粒子在磁場中向下偏轉，根據左手定則知甲粒子帶負電，乙粒子帶正電，故A錯誤；能通過狹縫S0的帶電粒子，根據平衡條件有qE＝qvB1，解得，粒子速率v＝eq\f(E,B1)，故C正確；根據洛倫茲力提供向心力，有qvB2＝meq\f(v2,r)得r＝eq\f(mv,qB2)，由v、B2都相同，r甲<r乙，則甲的比荷大于乙的比荷，故B錯誤；由圖示粒子運動軌跡可知r甲＝eq\f(1,2)S0A，r乙＝eq\f(1,2)S0C，由題意可知S0A＝eq\f(2,3)S0C，則r甲∶r乙＝2∶3，粒子軌道半徑r＝eq\f(mv,qB2)，由題意可知v，q，B2都相同，則eq\f(r甲,r乙)＝eq\f(m甲,m乙)＝eq\f(2,3)，則甲、乙兩束粒子的質量比為2∶3，故D錯誤．8．答案：A解析：粒子在電場中加速qU＝eq\f(1,2)mv2，在磁場中做圓周運動qvB＝eq\f(mv2,R)，解得R＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2mU,q))，鈣40最大半徑R1＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2m1（U＋ΔU）,q))，鈣42最小半徑R2＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2m2（U－ΔU）,q))兩軌跡不發(fā)生交疊，有R1<R2，解得eq\f(ΔU,U)<eq\f(m2－m1,m2＋m1)，代入數(shù)據有eq\f(ΔU,U)<0.0698，兩種離子打在底片上的區(qū)域恰好不重疊，則eq\f(ΔU,U)的值約為0.07，故選A.9．答案：C解析：電場中，由動能定理得qU＝eq\f(1,2)mv2，磁場中，由題圖可知d＝2r由洛倫茲力提供向心力得qvB＝meq\f(v2,\f(d,2))聯(lián)立解得eq\f(q,m)＝eq\f(8U,B2d2)，故ABD錯誤，C正確．10．答案：D解析：正離子在電場中加速，可以判斷高壓電源A端應接負極，同時根據左手定則知，磁場室的磁場方向應垂直紙面向外，AB錯誤；設離子通過高壓電源后的速度為v，由動能定理可得qU＝eq\f(1,2)mv2離子在磁場中偏轉，則qvB＝meq\f(v2,r)聯(lián)立得出r＝eq\f(1,B)eq\r(\f(2mU,q))由此可見，質量大的離子的運動軌跡半徑大，則軌跡Ⅱ的同位素質量較大，C錯誤；離子在磁場中偏轉軌跡如圖所示由幾何關系可知r＝eq\f(R,tan\f(θ,2))可解得eq\f(q,m)＝eq\f(2Utan2\f(θ,2),B2R2)D正確．故選D.11．答案：B解析：該離子在磁分析器中沿順時針方向轉動，所受洛倫茲力指向圓心，根據左手定則可知，磁分析器中勻強磁場的方向垂直于紙面向外，故A錯誤；該離子在靜電分析器中做勻速圓周運動，由牛頓第二定律有qE＝meq\f(v2,R)，在加速度電場中，由動能定理有qU＝eq\f(1,2)mv2，聯(lián)立解得U＝eq\f(1,2)ER，故B正確；該離子在磁分析器中做勻速圓周運動，由牛頓第二定律有qvB＝meq