上海光源——微观世界的哈勃

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1、圉 试腿穗 素皿 HtTI REDIAN SUCAI 上海光源 河南省洛阳理工学院附中薛志强 素材观察 同步辐射为许多前沿学科领 域的研究提供了一种最先进又不 可替代的工具。利用同步辐射实验 技术开展实验研究所涉及的学科 之众多应用的领域之广泛是其 他大科学装置无法比拟的。材料科 学是支撑高技术经济发展必不可 少的基础 未来的技术革命将在很 大程度上取决于新型材料的发明 例如半导体、高分子聚合物、合金、 陶瓷、超导材料、复合材料、金属玻 璃以及纳米材料等这些具有异乎 寻常性能的新型材料将在计算机、 信息、通讯、航空航天、机器人、医 药、微机电和能源等新兴产业中获 得越来越广泛的应用 利用上海光

2、 源所产生的高亮度同步辐射光束 可以揭示材料中原子的精确构造 和得到有价值的电磁结构参数等 信息它们既是理解材料性能的 “钥匙”也隐含着发明新颖材料的 原理来源 12010年1月19日上海同步辐 射光源(SSRF)通过国家验收，该光 源是一台高性能的中能第三代同步 辐射光源工程包括一台150 MeV (兆电子伏)电子直线加速器、一台 物理教学探讨 高中学生版 10 、一 。，jIL一 周长t80 m的全能量增强器、一台 周长为432 m的35 GeV(吉电子 伏)电子储存环以及首批七条光束 线和实验站。该光源好比一台多用 户的超级显微镜能“照出”病毒结 构有助于科学家弄清病毒的致病 机理和过程

3、其功能远远超出1 MeV 的电子显微镜 下面关于显微镜的 说法中正确的有( ) A衍射现象限制了光学显微镜 的分辨本领 B电子被加速后动量很大其德 布罗意波长就短衍射现象的影响 就很小 C如果显微镜用质子而不用电 子其分辨本领会很低 D肉眼不能看见电子束只有 用可见光才能在荧光屏上来观察 显微图象 2同步辐射光源中的电子是通 过隧道管使其加速的，为研究高速 电子的特性。设n个长度逐个增大的 金属圆筒沿轴线排成一串各筒相 间地连到频率为r、最大电压值为 的正弦交流电源上图1为其简化示 意图。电子柬以一定的初速度 沿 轴线射入圆筒实现加速，则( ) A电子是在每个圆筒内都做加 速运动的 B电子只在

4、圆筒间的缝隙处做 S 熊 加速运动 C电子穿过每个圆筒的时间恰 为交流电的周期 D每个筒长应与其对应的位置 成线性关系 图1 32010年1月19日上海同步辐 射光源(SSRF)II过国家验收，该装置 是继电光源、X光源和激光之后为人 类文明带来革命性推动的新光源。它 可同时提供从远红外线、紫外线到硬 X射线等连续高亮度的光为生命科 学、凝聚态物理和材料科学、化学化 工、环境科学、医学、药学等领域的研 究提供了先进工具 下列关于它们产 生机理的描述中正确的有( ) A 射线是由原子核受到激发后 产生的 Bx射线和 射线是由原子的内 层电子受到激发后产生的 C无线电波是由振荡电路中自由 电子的周

5、期性运动产生的 D红外线、可见光、紫外线是原 子的内层电子受到激发后产生的 竺兰 兰 !兰竺竺 1 1 4电子储存环是储存高速运行 的电子束流的设备主要由磁铁系 统、高频系统和真空系统等组成。磁 铁系统用来弯转和约束电子束使电 子束走环行的闭合轨道：高频系统提 供加速电场电子在加速电场中获得 能量 电子束在储存环中做回旋运动 的同时沿切线方向发出同步辐射 电 子在储存环运动过程中( ) A。磁场对电子做功 B电子运动过程不向外辐射电磁 波 C需要及时对电子补充能量 D电子辐射电磁波频率不同 10“kg=16710 kgq=16x10一 。xl0“C =16x10 C。带人式得：B 3x10 T

6、 (2)如果该注入能量045 Tev(万亿 电子伏特)就为一个质子的能量，根据E ： m z解得该质子对应的速度约为 2 93X109ms显然这已经超过了光速是 不能实现的。 2f1)从A处注入的质子流分成左右 两束后根据每一束的偏转方向及左手 定则可知左侧环路上的磁场方向应该 垂直纸面向外右侧环路上的磁场方向 应该垂直纸面向里 (2)如文中图2所示，r： qB 0 R “ 由以上二式得：0=2aresinqBR 故整个环路所需1232双极磁体个 数= ： 0 qBR arcsln：一 3(1)把文中图3中的速度 分解为 平行于磁感应强度方向的v和垂直于磁 感应强度方向的 ，沿磁感应强度方向，

7、 离子不受外力作用做匀速运动垂直 于磁感应强度方向只受洛伦兹力做匀 速圆周运动。故离子合运动为沿磁感应 强度方向的螺旋运动 (2)由题知： cos 132=vsin0 因为0是微小角度，故： -VCOSOyV2-vsinO-vO；垂直于 磁感应强度方向不同质子做匀速圆周 运动的周期 应相等则这些离子 qB 从分离后到下一个相邻汇聚点距离s= T 2flay。此距离称为螺距。 qB 4(1)由题意，离子以发射角 发出 后会做螺旋运动沿磁场方向做速度为 cos 的匀速直线运动沿垂直于磁场方 向做速度为 SinO的匀速圆周运动 要打 到探测器上被探测到则该匀速圆周运 动的直径2rR而r mvsin0

8、，联立解得： qB 0arcsinqBR 2mv (2)由于发射离子在源周围均匀分 布，可以取一半径为n的圆球面，如图l。 则绝对效率在数值上应该等于发散角 的立体角所对的该球冠面积与该球面 面积的比值 图1 S =2rrah=2rra(a-aeosO)=2,rra2(1一 cosO) Js _4,1Ta2 联立以上几式解得：探测效率田= 1一、Vl一( 2my) 2 5核反应方程为： N+ He一 O+lH 反应前后的质量变化为： m=(14003 074u+4002 603u 一 (16999 133u+1007 825u1=一0001 28lu 根据爱因斯坦质能方程： ：Amc2 Q=-

9、OOOl 281x9315 MeV=一1193 MeV 可见该核反应是吸热反应。 6所携带的总能量为 Q= x900x1 300x( ) J=4514x 10 J Q=cmAt c=42x10 JkgoC 联立解得m=134x10 kg 故 ： 134x103升 P 7本设计主要利用电磁继电器的特 点，原理如图2所示。图中O为横杆固定 转动点，曰为衔铁，E为绝缘硬杆，D为带 两个电极的导体C为工作电路连在外 边的两个电极， 、E、 三者整体固定连 在一起。当远程控制室接通低压控制电 路时，电磁铁产生磁性对衔铁B的吸引 力大于弹簧弹力衔铁被吸下来通过 C、D把工作电路接通。当远程控制室断 开低压

10、控制电路时电磁铁磁性消失 弹簧 会把整个横杆吸起来C、D分离而 断开丁作电路使环形加速器内部停止 物理教学探讨 高中学生版 77 。 、jlI。 参 考 答 案 唾 图2 上海光源微观世界的哈勃 1AB 一般的光学显微镜只能分 辨200 nm大小的物体要想再放大光的 衍射现象就不能忽略形成的图象就较 为模糊影响其分辨本领 若用实物粒 子经电场加速则有 U： 删z： 于 2 2m 是德布罗意波长为A： ： 一这 P、 样加速电压越高粒子质量越大其波 长就越短衍射的影响就越小即选项C 错误，A、B正确。由于人眼不能识别电 子、质子这样的实物粒子，可以让它们 打在荧光屏上来显示图象人就可以观 察显微

11、图象了即选项D错误 2B 由于同一个金属筒所处的电 势相同整个金属筒是一个等势体内 部无场强故粒子在筒内必做匀速直线 运动：而前后两筒间的电势差为 故电 子每次穿越缝隙时将被电场加速选项 A错误B正确：又各筒相间地连到正弦交 流电源上故电子穿过每个圆筒的时间 都应为交流电的半个周期故选项C错 误；若设 为电子在第n个筒内的速度， 则简长为 T，又， 一 1 = 1 故简长与其对应的位置不成线性关系 选项D错误 3AC 无线电波是由LC振荡电路 产生的，红外线、可见光、紫外线是原子 的外层电子受到激发后产生的X射线 是由原子的内层电子受到激发后产生 的， 射线是南原子核受到激发后产生 的故选项A

12、C正确 4C 因为洛伦兹力对电荷不做 功，所以A项错误 电子在转弯时辐射电 磁波所以B项错误 因为电子向外辐射 电磁波，所以需要加速电场补充能量，C 项正确。从材料中知道电子辐射的频率 相同，所以D项错误。 喷气背包未来交通工具的革 命 1AC“火箭人”自身的形状和大 小相对于“火箭人”运动的路程来说属 于无关或者次要因素所以“火箭人”可 以看作质点，A对 “火箭人”在立体空间 中运动应该用三维坐标系来描述其运 动，B错。救援车距受困车主约16公里 16公里是两点间的距离“火箭人”实际 运动轨迹的长度要大于16公里由此可 得，C对D错。 2B 速度是矢量我们规定向上 为正方向根据题目中的情景可

13、得速 度一开始为正，后来为负，A错。撑开降 落伞后“火箭人”做加速度逐渐减小的 减速运动 一图线应为曲线且越来越 缓C错。“火箭人”先以5 ms 的加速度 向上加速运动后来只受重力重力加 速度为98 ms2,陶线要变陡，D错。本题 只有B正确 3A 根据动能定理“火箭人” 初、末速度都为零所以合力对“火箭 人”做的功为零A对 喷出的气体对“火 箭人”既做正功又做负功做的总功为 零“火箭人”一开始的机械能和最后的 机械能相同但整个过程中机械能要发 生变化，B、C、D皆错。 416mls 本题属于反冲类问题 根据动量守恒定律m = 代人数据解 得 =16 mls 磁流体技术的应用 1(1)Bqv。

14、=Eq，又由U=E1，可知此 时两极板的电势差为 B ，当外电路 断路时电源的路端电压等于电源电动 势时此磁流体发电机的电动势即为E= Blv ，且 板的电势高。 (2)M、N间的电动势E=Blv，短路电 流，_ ，R ，磁场对流体的作用 力 B，zPF=vBZhld方向水平向左。 (3)设流体在流动过程中所受的阻 力与流速的比例系数为k所以在外电 路未短路时，流体以稳定速度 。流过，此 时流体所受的阻力f即涡轮机所提供的 动力)Fo=kv。，此时涡轮机提供的功率 = 。= ；外电路短路后，流体仍以稳定 速度 。流过时，设此时磁场对流体的作 用力为F，根据第(2)问的结果可知F= Vo：hld

15、，此时涡轮机提供的动力 ： + P F=kVo+ 此时涡轮机提供的功率 P ：而。：kv + ，新增加功率P=Jp， P pvB=hld n一 0 P 2(1)磁流体发电机电动势E=Bdv 用左手定则判断出正离子向板偏 转，因此板的电势高。 (2)两板问海水的电阻r ，回路 中的电流，_ 尺+r 磁场对管道内海水的作用力 B 解得 堡 abR+pd 方向与 方向相反(水平向东) (3)在t时间内，管道中海水移动的 距离为 t 在t时间内克服摩擦阻力做的功 =kvs克服磁场力做功 =Fs 在t时间内磁流体发电机消耗的总 机 。 + 3(1)根据安培力公式，推力 = b， 其中 U，R=p 则 ：旦 ：Uae B：7968 N R P 对海水推力的方向沿y轴正方向(向 右 (2) =Bvdb=96 V (3)根据欧姆定律，：= Ut= ( Bv )Og 一=60 A 物理教学探讨i 高中学生版 78 、一