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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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。 图示的装置中,电场强度和磁感应强度垂直,这种装置叫速度选择器。若一电子恰能沿虚线从左向右运动。下列和电子速率相同的哪种粒子沿虚线射入,不能沿虚线运动 如图所示是质谱仪的结构简化图。在速度选择器上方存在有界磁场区域,该区域上边界为直线,下边界由直线、半圆、直线组成,、、、共线,与上边界平行且相距为,、之间放置足够长的照相底片,包含边界在内该区域存在方向垂直纸面向里的匀强磁场。粒子源发射出质量为、电荷量为的粒子恰能沿直线通过速度选择器,并从距离点的小空隙竖直向上射入磁场区域,并全部打在照相底片上。已知速度选择器中磁感应强度大小为,电场强度大小为,不计粒子重力,求∶ 目前,我国正在集中力量开发芯片技术,而离子注入是其中一道重要的工序。如图所示是离子注入工作原理示意图,离子经加速后沿水平方向进入速度选择器,然后通过磁分析器,选择出特定比荷的离子,经偏转系统后注入处在水平面内的晶圆(硅片)。速度选择器和磁分析器中的匀强磁场的磁感应强度大小均为,方向均垂直纸面向外;速度选择器和偏转系统中的匀强电场场强大小均为,方向分别为竖直向上和垂直纸面向外。磁分析器截面是内外半径分别为和的四分之一圆环,其两端中心位置和处各有一个小孔;偏转系统中电场的分布区域是一边长为的正方体,其底面与晶圆所在水平面平行。当偏转系统不加电场时,离子恰好竖直注入到晶圆上的点。整个系统置于真空中,不计离子重力。求: 如图所示,甲是回旋加速器,乙是磁流体发电机,丙是速度选择器,丁是霍尔元件,下列说法正确的是
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