高中 | 速度选择器 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动

速度选择器

有两种质谱仪:第一种如图甲所示,带电粒子从靠近极板的$O$点由静止释放,经过加速电场(板间电压为$U_{0}$、板间距为$d$)加速后,进入磁感应强度大小为$B_{1}$的匀强磁场中做匀速圆周运动;第二种如图乙所示,有一定初速度的带电粒子经过速度选择器(板间电压为$U_{0}$、板间距为$d$、磁感应强度大小为$B_{0}$)后,进入磁感应强度大小为$B_{1}$的匀强磁场中做匀速圆周运动。若粒子中同时含有$\rm _{1}^{1}H$$\rm _{1}^{2}H$,且两种质谱仪中$\rm _{1}^{1}H$做圆周运动的半径相同,下列说法正确的是$(\qquad)$

["

图乙中粒子的初速度大小为$\\dfrac{U_{0}}{B_{0}}$

","

$\\rm _{1}^{1}H$的比荷可表示为$\\dfrac{U_{0}}{2B_{0}^{2}d^{2}}$

","

两种质谱仪中$\\rm _{1}^{2}H$做圆周运动的半径相同

","

图甲中$\\rm _{1}^{2}H$做圆周运动的半径比图乙中$\\rm _{1}^{2}H$做圆周运动的半径大

"]
[["B"]]

$\rm A$.图乙中粒子能直线通过速度选择器,则$qB_{0}v=q\dfrac{U_{0}}{d}$

解得初速度大小为$v=\dfrac{U_{0}}{B_{0}d}$,选项$\rm A$错误;

$\rm B$.设$\rm _{1}^{1}H$的质量为$m$电量为$q$,因两种质谱仪中$\rm _{1}^{1}H$做圆周运动的半径相同,可知进入磁场后的速度相同,则由$U_{0}q=\dfrac{1}{2}mv^{2}$

其中的$v=\dfrac{U_{0}}{B_{0}d}$

可得$\dfrac{q}{m}=\dfrac{U_{0}}{2B_{0}^{2}d^{2}}$,选项$\rm B$正确;

$\rm CD$$\rm _{1}^{2}H$的质量$2m$,电量为$q$,则甲图中质谱仪中$\rm _{1}^{2}H$,由$U_{0}q=\dfrac{1}{2}\cdot2mv'^{2}$

以及$qv'B_{1}=2m\dfrac{v^{'2}}{r_{1}}$

解得$r_{1}=\dfrac{2}{B_{1}}\sqrt{\dfrac{U_{0}m}{q}}=\dfrac{2\sqrt{2}B_{0}d}{B_{1}}$

乙图中质谱仪中$\rm _{1}^{2}H$$v=\dfrac{U_{0}}{B_{0}d}$

以及$qvB_{1}=2m\dfrac{v^{2}}{r_{2}}$

解得$r_{2}=\dfrac{2mU_{0}}{B_{0}B_{1}qd}=\dfrac{4B_{0}d}{B_{1}}$

则两种质谱仪中$\rm _{1}^{2}H$做圆周运动的半径不相同,图甲中$\rm _{1}^{2}H$做圆周运动的半径比图乙中$\rm _{1}^{2}H$做圆周运动的半径小,选项$\rm CD$错误。

故选:$\rm B$

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质谱仪是由离子室、加速电场、速度选择器和分离器四部分组成的。已知速度选择器的两极板间的匀强电场的电场强度大小为,匀强磁场的磁感应强度大小为、方向垂直纸面向里,分离器中匀强磁场的磁感应强度大小为,方向垂直纸面向外。离子室内充有大量氢的同位素氕、氘、氚,它们以不同的速度经加速电场加速后,从速度选择器两极板间的中点平行于极板进入,部分粒子沿直线通过小孔后进入分离器的偏转磁场中,最后在底片上形成了对应于氕、氘、氚三种离子的三个感光点、、,测得到点的距离为。不计离子所受的重力及它们之间的相互作用。求: 质谱仪工作原理如图所示,它由加速电场、速度选择器和偏转磁场三部分组成。速度选择器中电场强度为;偏转磁场的磁感应强度为、方向垂直纸面向外。质量为、电荷量为的粒子经过加速电场加速后,垂直进入速度选择器,且刚好沿直线运动,并从进入偏转磁场做圆周运动,打在照相底片上,测得其直径为。不计粒子的重力和粒子间的相互作用力。 如图()所示是一种质谱仪的原理图,和两板间有相互垂直的匀强电场和匀强磁场,两板间电压,两板间距,板间磁场的磁感应强度,下方区域存在另一磁感应强度的匀强磁场。带电粒子沿和板间的中心线从小孔进入该装置,后经狭缝以某一速度垂直进入下方磁场,最后打到照相底片上。某一次实验中入射大量氢离子,已知氢离子的质量为,电荷量为,其重力忽略不计,设中子和质子质量相同。求: 如图所示,下列说法正确的是 如图,带等量正电荷的、两种粒子,以几乎为的初速度从飘入电势差为的加速电场,经加速后从点沿水平方向进入速度选择器(简称选择器)。选择器中有竖直向上的匀强电场和垂直纸面向外的匀强磁场。当选择器的电场强度大小为,磁感应强度大小为,右端开口宽度为时,粒子沿轴线穿过选择器后,沿水平方向进入磁感应强度大小为、方向垂直纸面向外的匀强磁场(偏转磁场),并最终打在探测器上;粒子以与水平方向夹角为的速度从开口的下边缘进入偏转磁场,并与粒子打在同一位置,忽略粒子重力和粒子间的相互作用及边界效应,则 磁屏蔽技术可以降低外界磁场对屏蔽区域的干扰。如图所示,区域存在垂直平面向里的匀强磁场,其磁感应强度大小为(未知)。第一象限内存在边长为的正方形磁屏蔽区,经磁屏蔽后,该区域内的匀强磁场方向仍垂直平面向里,其磁感应强度大小为(未知),但满足。某质量为、电荷量为的带电粒子通过速度选择器后,在平面内垂直轴射入区域,经磁场偏转后刚好从中点垂直射入磁屏蔽区域。速度选择器两极板间电压、间距、内部磁感应强度大小已知,不考虑该粒子的重力。
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