21．(19分)图为双聚焦分析器质谱仪的结构示意图，其中，加-优题课

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21．(19分)

图为“双聚焦分析器”质谱仪的结构示意图，其中，加速电场的电压为U，静电分析器中与圆心0₁等距离的各点场强大小相等、方向沿径向，磁分析器中以0₂为圆心、圆心角为90^o的扇形区域内，分布着方向垂直于纸面的匀强磁场，其左边界与静电分析器的右端面平行。由离子源发出的一质量为m、电荷量为g的正离子(初速度为零，重力不计)经加速电场加速后，从M点垂直于电场方向进入静电分析器，沿半径为R的四分之一圆弧轨迹做匀速圆周运动，从N点射出，接着由P点垂直磁分析器的左边界射入，最后垂直于下边界从Q点射出并进入收集器。已知Q点与圆心0₂的距离为d。求：
(1)磁分析器中磁场的磁感应强度B的大小和方向；
(2)静电分析器中离子运动轨迹处电场强度E的大小；
(3)现将离子换成质量为0．9m、电荷量仍为g的另一种正离子，其它条件不变。试直接指出该离子进入磁分析器时的位置，它射出磁场的位置在Q点的左侧还是右侧?

科目物理题型计算题难度较难

知识点： α粒子散射实验

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如图所示，匀强磁场中有一矩形闭合线圈 $a b c d$ ，线圈平面与磁场垂直。已知线圈的匝数 $N = 100$ ，边长 $a b = 1.0 m$ 、 $b c = 0.5 m$ ，电阻 $r = 2 Ω$ 。磁感应强度 $B$ 在 $0 ~ 1 s$ 内从零均匀变化到 $0.2 T$ 。在 $1 ~ 5 s$ 内从 $0.2 T$ 均匀变化到 $- 0.2 T$ ，取垂直纸面向里为磁场的正方向。求：

（1） $0.5 s$ 时线圈内感应电动势的大小 $E$ 和感应电流的方向；

（2）在 $1 ~ 5 s$ 内通过线圈的电荷量 $q$ ；

（3）在 $0 ~ 5 s$ 内线圈产生的焦耳热 $Q$ 。

（1）一质子束入射到静止靶核 ${}_{13}^{27}A l$ 上，产生如下核反应： $p + {}_{13}^{27}A l \to x + n$ 式中 $p$ 代表质子， $n$ 代表中子， $x$ 代表核反应产生的新核。由反应式可知，新核 $x$ 的质子数为，中子数为。
（2）在粗糙的水平桌面上有两个静止的木块 $A$ 和 $B$ ，两者相距为 $d$ 。现给 $A$ 一初速度，使 $A$ 与 $B$ 发生弹性正碰，碰撞时间极短：当两木块都停止运动后，相距仍然为 $d$ 。已知两木块与桌面之间的动摩擦因数均为 $μ$ ，B的质量为 $A$ 的 $2$ 倍，重力加速度大小为 $g$ 。求 $A$ 的初速度的大小。

如图，两条平行导轨所在平面与水平地面的夹角为 $θ$ ，间距为 $L$ 。导轨上端接有一平行板电容器，电容为 $C$ 。导轨处于匀强磁场中，磁感应强度大小为 $B$ ，方向垂直于导轨平面。在导轨上放置一质量为 $m$ 的金属棒，棒可沿导轨下滑，且在下滑过程中保持与导轨垂直并良好接触。已知金属棒与导轨之间的动摩擦因数为 $μ$ ，重力加速度大小为 $g$ 。忽略所有电阻。让金属棒从导轨上端由静止开始下滑，求:

（1）电容器极板上积累的电荷量与金属棒速度大小的关系；
（2）金属棒的速度大小随时间变化的关系。

水平桌面上有两个玩具车 $A$ 和 $B$ ，两者用一轻质细橡皮筋相连，在橡皮筋上有一红色标记 $R$ 。在初始时橡皮筋处于拉直状态， $A$ 、 $B$ 和 $R$ 分别位于直角坐标系中的 $(0, 2 l)$ 、 $(0, - l)$ 和 $(0, 0)$ 点。已知 $A$ 从静止开始沿 $y$ 轴正向做加速度大小为a的匀加速运动： $B$ 平行于 $x$ 轴朝 $x$ 轴正向匀速运动。在两车此后运动的过程中，标记 $R$ 在某时刻通过点 $（ l, l ）$ 。假定橡皮筋的伸长是均匀的，求 $B$ 运动速度的大小。

一圆筒的横截面如图所示，其圆心为 $O$ 。筒内有垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为 $B$ 。圆筒下面有相距为 $d$ 的平行金属板 $M 、 N$ ，其中 $M$ 板带正电荷， $N$ 板带等量负电荷。质量为 $m$ 、电荷量为 $q$ 的带正电粒子自 $M$ 板边缘的 $P$ 处由静止释放，经 $N$ 板的小孔 $S$ 以速度 $v$ 沿半径 $S O$ 方向射入磁场中。粒子与圆筒发生两次碰撞后仍从 $S$ 孔射出，设粒子与圆筒碰撞过程中没有动能损失，且电荷量保持不变，在不计重力的情况下，求：

（1） $M 、 N$ 间电场强度 $E$ 的大小；
（2）圆筒的半径 $R$ ；
（3）保持 $M 、 N$ 间电场强度E不变，仅将 $M$ 板向上平移 $2 d / 3$ ，粒子仍从 $M$ 板边缘的 $P$ 处由静止释放，粒子自进入圆筒至从 $S$ 孔射出期间，与圆筒的碰撞次数 $n$ 。

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