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高中 | 质谱仪题目答案及解析如下,仅供参考!
选修3-1
第三章 磁场
3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动
质谱仪
如图所示是质谱仪的工作原理示意图。三个带电粒子先后从容器$A$正下方的小孔$S_{1}$飘入电势差为$U$的加速电场,可视为它们初速度大小为零,经电场加速后,分别从小孔$S_{2}$离开,再从小孔$S_{3}$沿着与磁场垂直的方向竖直向下进入匀强磁场中,最后打到照相底片$D$上的$a$、$b$、$c$三个不同位置。整个装置放在真空中,均不计带电粒子的重力和粒子之间的相互作用力。根据图中三个带电粒子在质谱仪中的运动轨迹,下列说法正确的是$(\qquad)$

三个带电粒子均带负电荷
","三个带电粒子进入磁场的速度大小相等
","打在$a$处的带电粒子电荷量与质量之比最小
","打在$c$处的带电粒子在磁场中运动的时间最长
"]$\rm A$.根据三个粒子在匀强磁场偏转方向,结合左手定则可知三个粒子带正电,故$\rm A$错误;
$\rm BC$.粒子经过电场加速后,由动能定理$qU=\dfrac{1}{2}mv^{2}$
得$v=\sqrt{\dfrac{2qU}{m}}$
粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力得$qvB=m\dfrac{v^{2}}{r}$
以上分析知$v=\sqrt{\dfrac{2qU}{m}}$
联立解得$\dfrac{q}{m}=\dfrac{2U}{Br}$
图中可知,三种粒子做匀速圆周运动半径不同,故带电粒子电荷量与质量之比不同,所以速度不同,图中可知打在$a$处的粒子半径最大,故带电粒子电荷量与质量之比最小,故$\rm B$错误,$\rm C$正确;
$\rm D$.带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力得$qvB=m\dfrac{4\pi^{2}}{T^{2}}r$
得$T=\dfrac{2\pi m}{qB}$
分析可知粒子在磁场中运动时间为$t=\dfrac{1}{2}T=\dfrac{\pi m}{qB}$
以上分析可知,由于打在$c$点的半径最小,故带电粒子质量与电荷量之比最小,故周期最小,打在$c$处的带电粒子在磁场中运动的时间最短,故$\rm D$错误。
故选: $\rm C$。
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