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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
质谱仪是一种测量带电粒子质量和分析同位素的重要工具,它的构造原理如图,离子源$A$产生电荷量相同而质量不同的离子束(初速度可视为零),从狭缝$S_{1}$进入电场,经电压为$U$的加速电场加速后,再通过狭缝$S_{2}$从小孔垂直$MN$射入圆形匀强磁场,该匀强磁场的磁感应强度为$B$,方向垂直于纸面向外,半径为$R$,磁场边界与直线$MN$相切,$E$为切点,离子离开磁场最终到达感光底片$MN$上,设离子电荷量为$q$,到达感光底片上的点与$E$点的距离为$x$,不计重力,可以判断$(\qquad)$
离子束带正电
","$x$越大,则离子的比荷一定越大
","到达$x=\\sqrt{3}R$处的离子质量为$\\dfrac{qB^{2}R^{2}}{6U}$
","到达$x=\\sqrt{3}R$处的离子在匀强磁场运动时间为$\\dfrac{\\pi BR^{2}}{3U}$
"]$\rm A$.离子进入磁场后向右偏转,对离子受力分析,由左手定则可知,离子束带正电,$\rm A$正确;
$\rm B$.带电离子在加速电场中做匀加速直线运动,设加速后的速度大小为$v$,根据动能定理有$qU=\dfrac{1}{2}mv^{2}-0$
解得$v=\sqrt{\dfrac{2qU}{m}}$
然后匀速运动到$E$点进入有界磁场中,其运动轨迹如下图所示
粒子从$E$点先沿虚线圆弧,再沿直线做匀速直线运动到$N$点,由$qvB=m\dfrac{v^{2}}{r}$
则$r=\dfrac{mv}{qB}=\dfrac{1}{B}\sqrt{\dfrac{2mU}{q}}$
故$x$越大则$r$越大,则比荷$\dfrac{q}{m}$越小,故$\rm B$错误;
$\rm C$.如图,到达$x=\sqrt{3}R$处的离子在$\triangle ENO$中$\tan\theta=\dfrac{x}{R}$
解得
$\theta=60^\circ$
设带电粒子运动的轨迹圆的半径为$r$,根据几何关系有$r=R\tan 30{^\circ}=\dfrac{\sqrt{3}}{3}R$
解得$m=\dfrac{qB^{2}R^{2}}{6U}$,$\rm C$正确;
$\rm D$.设到达$x=\sqrt{3}R$处的离子轨迹圆心角为$\alpha$,$t=\dfrac{\alpha}{360{^\circ}}T=\dfrac{\alpha}{360{^\circ}} \times \dfrac{2\pi m}{qB}$
由几何关系圆弧圆心角$\alpha=120^\circ$,联立可得$t=\dfrac{\pi BR^{2}}{9U}$
$\rm D$错误。
故选:$\rm AC$。
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