高考物理速度选择器和回旋加速器(一)解题方法和技巧及练习题含解析

高考物理速度选择器和回旋加速器(一)解题方法和技巧及练习题含解析
一、速度选择器和回旋加速器
1．如图所示，两平行金属板水平放置，间距为d，两极板接在电压可调的电源上。

两板之间存在着方向垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度的大小为B。

金属板右侧有一边界宽度为d的无限长匀强磁场区域，磁感应强度的大小为B、方向垂直纸面向里，磁场边界与水平方向的夹角为60°。

平行金属板中间有一粒子发射源，可以沿水平方向发射出电性不同的两种带电粒子，改变电源电压，当电源电压为U时，粒子恰好能沿直线飞出平行金属板，粒子离开平行金属板后进入有界磁场后分成两束，经磁场偏转后恰好同时从两边界离开磁场，而且从磁场右边界离开的粒子的运动方向恰好与磁场边界垂直，粒子之间的相互作用不计，粒子的重力不计，试求：
(1)带电粒子从发射源发出时的速度；
(2)两种粒子的比荷
1
1
q
m
和
2
2
q
m
分别是多少；
(3)带正电粒子在磁场中做圆周运动的轨道半径。

【答案】(1)U
dB
(2)
22
2
v
d B22
2U
d B
（3）
2
d
【解析】
【详解】
（1）根据题意，带电粒子在平行金属板间做直线运动时，所受电场力与洛伦兹力大小相等，由平衡条件可得
q U
d
＝qvB
解得:
v＝U dB
（2）根据题意可知，带正电粒子进入磁场后沿逆时针方向运动，带负电粒子进入磁场后沿顺时针方向运动，作出粒子在磁场中的运动轨迹如图所示，带负电粒子在刚进入磁场时速度沿水平方向，离开磁场时速度方向垂直磁场边界，根据图中几何关系可知，带负电粒子在磁场中做圆周运动的偏转角为
θ1＝30°＝
6
带负电粒子在磁场中做圆周运动的轨道半径为:
r 1＝
sin 30d
︒
＝2d 带负电粒子在磁场中运动时洛伦兹力提供向心力，有:
q 1vB ＝2
11
m v r
联立解得:
11q m ＝222v d B
根据带正电粒子的运动轨迹及几何关系可知，带正电粒子在磁场中的偏转角为:
θ2＝120°＝
23
π
根据带电粒子在磁场中做圆周运动的周期公式:
T ＝
2m
qB
π 可得带负电粒子在磁场中运动的时间为:
t 1＝
11
1m q B
θ
带正电粒子在磁场中运动的时间为:
t 2＝222m q B
θ
根据题意可知:
t 1＝t 2
联立以上各式，可得
22q m ＝114q m ＝222U d B
（3）带正电粒子在磁场中做圆周运动的轨道半径为:
r 2＝22m v
q B
解得:
r 2＝
2
d
2．在图所示的平行板器件中，电场强度和磁感应强度相互垂直．具有某一水平速度的带电粒子，将沿着图中所示的虚线穿过两板间的空间而不发生偏转，具有其他速度的带电粒子将发生偏转．这种器件能把具有某一特定速度的带电粒子选择出来，叫作速度选择器．已知粒子A （重力不计）的质量为m,带电量为+q ；两极板间距为d ；电场强度大小为E ，磁感应强度大小为B ．求：
(1)带电粒子A 从图中左端应以多大速度才能沿着图示虚线通过速度选择器？
(2)若带电粒子A 的反粒子(-q, m)从图中左端以速度E/B 水平入射，还能沿直线从右端穿出吗？为什么？
(3)若带电粒子A 从图中右端两极板中央以速度E/B 水平入射，判断粒子A 是否能沿虚线从左端穿出，并说明理由．若不能穿出而打在极板上．请求出粒子A 到达极板时的动能？ 【答案】(1) E/B (2) 仍能直线从右端穿出，由(1)可知，选择器(B, E)给定时，与粒子的电
性、电量无关．只与速度有关 (3) 不可能, 2
122
E Eqd
m B ⎛⎫+ ⎪⎝⎭
【解析】
试题分析：，电场的方向与B 的方向垂直，带电粒子进入复合场，受电场力和安培力，且二力是平衡力，即Eq =qvB ，即可解得速度．仍能直线从右端穿出，由(1)可知，选择器(B, E)给定时，与粒子的电性、电量无关．只与速度有关．
(1) 带电粒子在电磁场中受到电场力和洛伦兹力（不计重力），当沿虚线作匀速直线运动时，两个力平衡，即Eq =Bqv 解得：E
v B
=
（2）仍能直线从右端穿出，由(1)可知，选择器(B, E)给定时，与粒子的电性、电量无关．只与速度有关．
(3)设粒子A 在选择器的右端入射是速度大小为v ，电场力与洛伦兹力同方向，因此不可能直线从左端穿出，一定偏向极板．设粒子打在极板上是的速度大小为v ′． 由动能定理得：22111
222
Eqd mv mv '=- 因为 E=Bv
联立可得粒子A 到达极板时的动能为：2
122
k E Eqd
E m B ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭
点睛：本题主要考查了从速度选择器出来的粒子电场力和洛伦兹力相等，粒子的速度相同，速度选择器只选择速度，不选择电量与电性，同时要结合功能关系分析．
3．如图所示，在直角坐标系xOy 平面内，以O 点为圆心，作一个半径为R 的园形区域，A 、B 两点为x 轴与圆形区域边界的交点，C 、D 两点连线与x 轴垂直，并过线段OB 中点；将一质量为m 、电荷量为q(不计重力)的带正电的粒子，从A 点沿x 轴正方向以速度v 0射入圆形区域．
（1）当圆形区域内只存在平行于y 轴方向的电场时，带电粒子恰从C 点射出圆形区域，求此电场的电场强度大小和方向；
（2）当圆形区域内只存在垂直于区域平面的磁场时，带电粒子怡从D 点射出圆形区域，求此磁场的磁感应强度大小和方向；
（3）若圆形区域内同时存在(1)中的电场和(2)中的磁场时，为使带电粒子恰能沿直线从B 点射出圆形区域，其入射速度应变为多少?
【答案】(1)2
43mv E =
方向沿y 轴正方向 (2)0
33mv B qR
= 方向垂直坐标平面向外 (3)043v v =
【解析】 【分析】
（1）只存在电场时，粒子在电场中做类平抛运动，根据水平和竖直方向的运动列方程求解电场强度；（2）区域只存在磁场时，做匀速圆周运动，由几何关系求解半径，再根据洛伦兹力等于向心力求解磁感应强度；（3）若电场和磁场并存，粒子做直线运动，电场力等于洛伦兹力，列式求解速度. 【详解】
（1）由A 到C 做类平抛运动：
03
2
R v t =； 231
2at qE ma =
解得3
439mv E qR
=
方向沿y 轴正方向； （2）
从A 到D 匀速圆周运动，则0
tan30R
r
=
，3r R =
20
0v qv B m r
= 0mv r qB =
解得0
33mv B qR
=
方向垂直坐标平面向外． （3）从A 到B 匀速直线运动，qE=qvB 解得E v B
= 即043v v =
【点睛】
此题是带电粒子在电场中的偏转，在磁场中的匀速圆周运动以及在正交场中的直线运动问题；粒子在电场中做类平抛运动，从水平和竖直两个方向列式；在磁场中做匀速圆周运动，先找半径和圆心，在求磁感应强度；在正交场中的直线运动时列平衡方程求解.
4．（1）获得阴极射线，一般采用的办法是加热灯丝，使其达到一定温度后溅射出电子，然后通过一定的电压加速．已知电子质量为m ，带电量为e ，加速电压为U ，若溅射出的电子初速度为0，试求加速之后的阴极射线流的速度大小v ．
（2）实际问题中灯丝溅射出的电子初速度不为0，且速度大小满足某种分布，所以经过同一电压加速后的电子速度大小就不完全相同．但可以利用电场和磁场对电子的共同作用来筛选出科学研究所需要的特定速度的电子．设计如图所示的装置，上下极板接电源的正负极，虚线为中轴线，在装置右侧设置一个挡板，并在与中轴线相交处开设一个小孔，允许电子通过．调节极板区域内电场和磁场的强弱和方向，使特定速度的电子沿轴线穿过．请在图中画出满足条件的匀强磁场和匀强电场的方向．
（3）为了确定从上述速度选择装置射出的阴极射线的速度，可采用如图所示的电偏转装置（截面图）．右侧放置一块绝缘荧光板，电子打在荧光板上发光，从而知道阴极射线所打的位置．现使荧光板紧靠平行极板右侧，并将其处于两板间的长度六等分，端点和等分点分别用a 、b 、c 、……表示．
偏转电极连接一个闭合电路，将滑线变阻器也六等分，端点和等分点分别用A 、B 、C 、……表示．已知电子所带电量e = 1.6×10-19C ，取电子质量m = 9.0×10-31kg ，板间距和板长均为L ，电源电动势E = 120V ．实验中发现，当滑线变阻器的滑片滑到A 点时，阴极射线恰好沿中轴线垂直打到d 点；当滑片滑到D 点时，观察到荧光屏上f 点发光．忽略电源内阻、所有导线电阻、电子重力以及电子间的相互作用．请通过以上信息计算从速度选择装置射出的阴极射线的速度大小v 0．
【答案】（1
）
2eU
m
（2）如图所示：
（3）6
410m/s
⨯
【解析】
（1）根据动能定理可以得到：2
1
2
Ue mv
=，则：
2eU
v
m
=；
（2）当电子受到洛伦兹力和电场力相等时，即qvB Eq
=，即E
v
B
=，满足这个条件的电子才能通过，如图所示：
（3）设当滑片滑到D点时两极板间电压为U，E
U60
2
V
==
由电子在电场中的偏转运动得：2
11
()
32
eU L
L
mL v
=
则：6
3E
410/
4
e
v m s
m
==⨯．
点睛：本题主要考查带电粒子在电场中的加速、速度选择器以及带电粒子在电场中的偏转问题，但是本题以信息题的形式出现，令人耳目一新的感觉，但是难度不大，是一道好题，对学生分析问题能起到良好的作用．
5．如图所示，两竖直金属板间电压为U1，两水平金属板的间距为d.竖直金属板a上有一
质量为m 、电荷量为q 的微粒(重力不计)从静止经电场加速后，从另一竖直金属板上的小孔水平进入两水平金属板间并继续沿直线运动．水平金属板内的匀强磁场及其右侧宽度一定、高度足够高的匀强磁场方向都垂直纸面向里，磁感应强度大小均为B ，求：
(1)微粒刚进入水平金属板间时的速度大小v 0； (2)两水平金属板间的电压；
(3)为使微粒不从磁场右边界射出，右侧磁场的最小宽度D . 【答案】(1)1
02qU v m =12qU U m = (3)12qU m D Bq m
=【解析】 【分析】
（1）粒子在电场中加速，根据动能定理可求得微粒进入平行金属板间的速度大小； （2）根据粒子在平行板间做直线运动可知，电场力与洛伦兹力大小相等，列式可求得电压大小；
（3）粒子在磁场中做匀速圆周运动，根据几何关系可知半径与D 之间的关系，再由洛伦兹充当向心力可求得最小宽度． 【详解】
(1)在加速电场中，由动能定理，得 qU 1＝
1
2
mv 02， 解得v 01
2qU m
(2)在水平金属板间时，微粒做直线运动，则 Bqv 0＝q
U d
， 解得U ＝1
2qU m
(3)若微粒进入磁场偏转后恰与右边界相切，此时对应宽度为D ，则
Bqv 0＝m 20
v r
且r ＝D ，
解得D 1
2qU m Bq m
【点睛】
题考查带电粒子在电场和磁场中的运动，要注意明确带电粒子在磁场中运动时注意几何关
系的应用，明确向心力公式的应用；而带电粒子在电场中的运动要注意根据功能关系以及运动的合成和分解规律求解．
6．1932 年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，巧妙地利用带电粒子在磁场中的运动特点，解决了粒子的加速问题．现在回旋加速器被广泛应用于科学研究和医学设备中．某型号的回旋加速器的工作原理如图甲所示，图乙为俯视图．回旋加速器的核心部分为两个 D 形盒，分别为 D 1、D 2．D 形盒装在真空容器里，整个装置放在巨大的电磁铁两极之间的强大磁场中，磁场可以认为是匀强磁场，且与 D 形盒底面垂直．两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计．D 形盒的半径为 R ，磁场的磁感应强度为 B ．设质子从粒子源 A 处进入加速电场的初速度不计．质子质量为 m 、电荷量为+q ．加速器接入一定频率的高频交变电源，加速电压为 U ．加速过程中不考虑相对论效应和重力作用．求：
（1）质子第一次经过狭缝被加速后进入 D 2 盒时的速度大小 v 1 和进入 D 2 盒后运动的轨道半径 r 1；
（2）质子被加速后获得的最大动能 E k 和交变电压的频率 f ；
（3）若两 D 形盒狭缝之间距离为 d ，且 d<<R ．计算质子在电场中运动的总时间 t 1 与在磁场中运动总时间 t 2，并由此说明质子穿过电场时间可以忽略不计的原因．
【答案】(1) 12qU v m =
，112mU r B q =22
2K qB R E m = ，2qB f m π= (3) 1BRd t U = ，2
22BR t U π= ； 12
2t d t R π=
【解析】
（1）设质子第1此经过狭缝被加速后的速度为v 1： 2112qU mv =
解得12qU
v m
= 2111v qv B m r = 解得：112mU
r B q
=
（2）当粒子在磁场中运动半径非常接近D 型盒的半径A 时，粒子的动能最大，设速度为
v m ，则2
m
m v qv B m R
=
212
km m E mv =
解得22
2K qB R E m
=
回旋加速器正常工作时高频交变电压的频率等于粒子回旋的频率，则设粒子在磁场中运动的周期为T,则：22r m
T v qB
ππ== 则2qB
f m
π=
（3）设质子从静止开始加速到粒子离开加速了n 圈，粒子在出口处的速度为v ，根据动能
定理可得：222
22q B R nqU m =
可得22
4qB R n mU
=
粒子在夹缝中加速时，有：qU
ma d
=
，第n 次通过夹缝所用的时间满足：1n n n a t v v +∆=- 将粒子每次通过夹缝所用时间累加，则有1m v BRd
t a U
==
而粒子在磁场中运动的时间为（每圈周期相同）222
2242qB R m BR t nT mU qB U
ππ==
⋅= 可解得
122t d
t R
π=，因为d<<R ，则 t 1<<t 2
7．汽车又停下来了，原来是进了加油站。

小明想，机器总是要消耗能源才干活儿，要是制造出不消耗任何能源却能源源不断对外做功的机器，那该是利国利民的大功劳一件啊！小明为此设计了一个离子加速器方案：两个靠得很近的、正对处留有狭缝的半圆形金属盒，处在垂直于纸面向里、磁感应强度大小为B 的匀强磁场中，M 和M '是固定在金属盒狭缝边缘的两平行极板，其上有正对的两个小孔，给极板充电后，上板带正电且两板间电压为U ；质量为m 、带电量为q 的正离子从M 板小孔由静止开始加速，经M '板小孔进入磁场区域，离子经磁场偏转后又回到M 板小孔继续加速，再偏转，再加速……假设电场集中在两极板之间，其他区域没有电场，并忽略离子所受的重力，试计算： （1）两于第1次加速后获得的动能：
（2）第n 次加速后和第1n +次加速后，离子在磁场中偏转的半径大小之比；
（3）小明想，离子每次经磁场偏转后都能再次进入两极板间的电场进行加速，这个过程中电场、磁场不发生任何变化，离子动能却不断的增加……这个离子加速器就实现了不消耗任何能源便可以能源源不断地对离子做功的目的！请根据你所学的知识，试判断小明的设计方案是否科学，并具体阐述你的理由。

【答案】（1）qU ；（21
n
n +；（3）见解析。

【解析】 【分析】 【详解】
（1）由动能定理可
qU =E k -0
解得离子第1次加速后获得的动能为
E k =qU
（2）设第n 次加速后离子获得的速度为v n ，则由动能定理可知
2
102
n nqU mv =
- 设离子在磁场中偏转的轨道半径大小为r n ，根据牛顿第二定律可知
2n
n n
v qv B m r ＝
联立解得
12n mnU
r B q
＝
同理，第n +1次加速后，离子子啊磁场中偏转的半径大小为
112(1)n m n U
r B q
++＝
则
11
n n r n r n +=+（3）小明的设计不科学，因为它违背了能量守恒定律，永动机不可能制成。

实际上，电场并不只是分布在两极板之间，在极板外，仍然有从M 板出发指向M'板的电场线，离子在两极板之外的磁场中运动时，电场力做负功，回到初始位置M 板的小孔处时，电场力所做的总功为零，离子速度恢复为原来的值，离子并不能持续的加速。

8．当今医学成像诊断设备PET/CT 堪称“现代医学高科技之冠”，它在医疗诊断中，常利用能放射电子的同位素碳11作为示踪原子，碳11是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击
氮14获得的．加速质子的回旋加速器如图甲所示，D形盒装在真空容器中，两D形盒内匀强磁场的磁感应强度为B，两D形盒间的交变电压的大小为U．若在左侧D1盒圆心处放有粒子源S不断产生质子，质子质量为m，电荷量为q．质子从粒子源S进入加速电场时的初速度不计，不计质子所受重力，忽略相对论效应．
(1)质子第一次被加速后的速度大小v1是多大？
(2)若质子在D形盒中做圆周运动的最大半径为R，且D形盒间的狭缝很窄，质子在加速电场中的运动时间可忽略不计．那么，质子在回旋加速器中运动的总时间t总是多少？
(3)要把质子从加速器中引出，可以采用静电偏转法．引出器原理如图乙所示，一对圆弧形金属板组成弧形引出通道，内、外侧圆弧形金属板分别为两同心圆的一部分，圆心位于O′点．内侧圆弧的半径为r0，外侧圆弧的半径为r0＋d．在内、外金属板间加直流电压，忽略边缘效应，两板间产生径向电场，该电场可以等效为放置在O′处的点电荷Q在两圆弧之间区域产生的电场，该区域内某点的电势可表示为φ＝k (r为该点到圆心O′点的距离)．质子从M点进入圆弧通道，质子在D形盒中运动的最大半径R对应的圆周与圆弧通道正中央的圆弧相切于M点．若质子从圆弧通道外侧边缘的N点射出，则质子射出时的动能E k是多少？要改变质子从圆弧通道中射出时的位置，可以采取哪些办法？
【答案】2qU
m
(2)
2
2
BR
U
π
(3)kQq
00
21
2r d r d
⎛⎫
-
⎪
++
⎝⎭
＋
222
2
q B R
m
【解析】
【详解】
(1)质子第一次被加速，由动能定理：
qU＝1
2
mv12
解得：
v12qU m
(2)质子在磁场中做圆周运动时，洛伦兹力提供向心力：
qvB ＝m 2
v R
质子做圆周运动的周期为：
T ＝
2πR v
＝2πm
Bq 设质子从D 形盒射出前被电场加速了n 次，由动能定理：
nqU ＝
12mv 2 质子在磁场中做圆周运动的周期恒定，在回旋加速器中运动的总时间为：
t 总＝
12
T 解得：
t 总＝2
π2BR U
(3)设M 、N 两点的电势分别为φ1、φ2，则
φ1＝k 012
Q
r d +，φ2＝k Q
n d
+
由能量守恒定律得
qφ1＋
12
mv 2
＝qφ2＋E k 解得：
E k ＝kQq 00212r d r d ⎛⎫- ⎪++⎝⎭
＋
222
2q B R m 改变圆弧通道内、外金属板间所加直流电压的大小(改变圆弧通道内电场的强弱)，或者改变圆弧通道内磁场的强弱，可以改变质子从圆弧通道中射出的位置．
9．回旋加速器是高能物理研究重要仪器.回旋加速器由两半径为R 的D 形金属盒组成，盒内存在垂直盒面的匀强磁场，磁感应强度为B ，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计.两盒间加上如图乙所示的交变电压，幅值为U 0，周期为002π=
m
T B q
，在t =0时刻，A 处质量为m 、电荷量为+q 的粒子从静止开始加速.不计粒子间相互作用和重力.
（1）求粒子从静止开始加速到出口处所需的时间t ;
（2）以发射点A 为坐标原点，向左为正方向建立x 轴，如图所示，第n 次加速后进入磁场做圆周运动时的圆心在x 轴上的位置应如何表示?
（3）若磁感应强度的取值有微小波动，其值为B '时，若粒子仍至少要连续加速n 次，则B '应满足什么条件? 【答案】(1) 2
00
2B R t U π=
(2) n 为偶数时
00222(12341)U m U m
n n n B q B q -L ，n 为奇数时，00222(123421)U m U m
n n n B
q B q
+--L L (3) 00222121
'+-n n B B B n n 剟 【解析】 【详解】
（1）粒子经电场加速后，在磁场中运动的最大速度为v m .对应圆周运动的最大半径为R .其中
m
0=
mv R B q
即
0m =
B qR
v m
最大动能为
222
20km
m 122==
B q R E mv m
每旋转一圈加速两次，设旋转N 圈
222
0022=B q R NU q m
则
22
00
4=B qR N mU
因此在磁场中运动的时间为
2
000
2π==
B R t NT U
（2）第一次圆周运动的圆心坐标为1
1=mv x Bq
其中
2
01102
=
-qU mv
1=
v 第二次圆周运动的圆心坐标为
22111
2222(1⎛⎫=
--=+ ⎪⎝⎭mv mv mv mv x Bq Bq Bq Bq Bq 第三次圆周运动的圆心坐标为
32111
3222(1⎛⎫=
--=+- ⎪⎝⎭mv mv mv mv x Bq Bq Bq Bq Bq
第n 次圆周运动的圆心坐标为 n 为偶数时
11
2(1=
+L n mv x Bq Bq
=
L n 为奇数时
11
2(1σ=
+L L n m x Bq Bq
=L L （3）若磁感应强度减小，则周期增加，设周期变为0T T +∆ 为使连续加速n 次，则
024
∆⨯T T
n …
即
2∆T T n
„
要求
0221
2π'+m n T B q n
„ 有
00221
'
+n
B B B n 厖 若磁场增大，则周期减小，设周期变为0-∆T T 为使连续加速n 次，则
024
∆⨯T T
n „; 即
2∆T T n
„
要求
0221
2π'-m n T B q n
… 则有
00221
'
-n
B B B n 剟 因此有
00222121
'+-n n
B B B n n 剟
10．回旋加速器的工作原理如图甲所示，置于真空中的D 形金属盒半径为R ，两盒间有狭缝（间距d R <<），匀强磁场与盒面垂直，被加速粒子的质量为m ，电荷量为q +，加在狭缝间的交变电压如图乙所示，电压值的大小为0U ，周期为T ，与粒子在磁场中的周期相
同．一束该种粒子在0~/2t T =时间内从A 处均匀地飘入狭缝，其初速度视为零.粒子在电场中的加速次数与回旋半周的次数相同，假设能够出射的粒子每次经过狭缝均做加速运动；粒子重力不计，不考虑粒子在狭缝中的运动时间，不考虑粒子间的相互作用.求：
（1）匀强磁场的磁感应强度B ；
（2）粒子从飘入狭缝至动能最大所需的总时间0t ；
（3）实际中粒子的质量会随速度的增加而增大，加速后的质量m 与原来质量0m 的关系：
2
1m v t =
⎛⎫- ⎪⎝⎭
1%后估计最多还能再加速多少次（需要简述理由）？②若粒子质量最终增加2%，那么粒子最终速度为光速的多少倍（结果保留一位有效数字）？
【答案】（1）2m qr π（2）220R m
qU T
π（3）100次；0.2
【解析】 【详解】
解：(1) 依据牛顿第二定律，结合洛伦兹力提供向心，则有：2
v qvB m R
=
电压周期T 与粒子在磁场中的周期相同：2r
T v
π= 可得2m T qB
π=
，
2m
B qr π= (2)粒子运动半径为R 时：2R v r π=且2
km 12
E mv = 解得：22
km
2
2mR E T
π= 粒子被加速n 次达到动能km E ，则有：0km E nqU =
不考虑粒子在狭缝中的运动时间，又有粒子在电场中的加速次数与回旋半周的相同，得粒
子从飘入狭缝至动能最大所需的总时间：22002T R m
t n qU T
π=•=
(3)粒子在磁场中的周期：
2n T
qB
π
=，质量增加1%，周期增大1%，
再加速次数不超过22100
1%
r
T
⨯=
⨯
次
加速后的质量m与原来质量0m的关系：
2
1()
m
v
c
=
-
，0
1.02
m m
=
粒子最终速度为：0.2
v c
=
即粒子最终速度为光速的0.2倍
11．1932年美国物理学家劳伦斯发明了回旋加速器，巧妙地利用带电粒子在磁场中的运动特点，解决了粒子的加速问题．现在回旋加速器被广泛应用于科学研究和医学设备中．
某型号的回旋加速器的工作原理如图甲所示，图乙为俯视图．回旋加速器的核心部分为D 形盒，D 形盒装在真空容器中，整个装置放在电磁铁两极之间的磁场中，磁场可以认为是匀强磁场，且与D形盒盒面垂直．两盒间狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计．质子从粒子源A处进入加速电场的初速度不计，从静止开始加速到出口处所需的时间为t．已知磁场的磁感应强度为B，质子质量为m、电荷量为+q，加速器接一定频率高频交流电源，其电压为U．不考虑相对论效应和重力作用．求：
（1）质子第1次经过狭缝被加速后进入D形盒运动轨道的半径r1；
（2）D形盒半径为R；
（3）试推理说明：质子在回旋加速器中运动时，随轨道半径r的增大，同一盒中相邻轨道半径之差是增大、减小还是不变?
【答案】（1）（2）（3）减小.
【解析】
【分析】
【详解】
试题分析：（1）设质子第1次经过狭缝被加速后的速度为v1
①②
联立①②解得：
（2） 设质子从静止开始加速到出口处运动了n 圈，质子在出口处的速度为v
③④
⑤
⑥
联立③④⑤⑥解得
（3） （方法1）设k 为同一盒子中质子运动轨道半径的序数，相邻的轨道半径分别为r k ，r k+1（r k <r k+1），
，在相应轨道上质子对应的速度大小分别为v k ，v k+1，D 1、
D 2之间的电压为U ，由动能定理知
⑦ 由洛伦兹力充当质子做圆周运动的向心力，知，则
⑧
整理得
⑨
相邻轨道半径r k+1，r k+2之差
同理
因U 、q 、m 、B 均为定值，且因为r k+2> r k ，比较与
得
（方法2）设k 为同一盒子中质子运动轨道半径的序数，相邻的轨道半径分别为r k －1、r k 、
r k+1，（r k －1<r k <r k+1）， 由及
得
得
假设>
有
两边平方得结果正确，说明假设成立． 所以
考点：回旋加速器；带电粒子在匀强电场及匀强磁场中的运动．
12．高能粒子是现代粒子散射实验中的炮弹，加速器是加速粒子的重要工具，是核科学研究的重要平台．质子回旋加速器是利用电场和磁场共同作用，使质子作回旋运动，在运动中通过高频电场反复加速、获得能量的装置．质子回旋加速器的工作原理如图（a ）所示，置于真空中的D 形金属盒半径为R ，两盒间狭缝的间距为d ，磁感应强度为B 的匀强磁场与盒面垂直，被加速质子（1
1H ）的质量为m ，电荷量为q +．加在狭缝间的交变电压如
图（b ）所示，电压值的大小为0U 、周期02m
T qB
π=
．为了简化研究，假设有一束质子从M 板上A 处小孔均匀地飘入狭缝，其初速度视为零．不考虑质子间的相互作用．
（1）质子在磁场中的轨迹半径为r （已知）时的动能k E ；
（2）请你计算质子从飘入狭缝至动能达到k E （问题（1）中的动能）所需要的时间．（不考虑质子间的相互作用，假设质子每次经过狭缝均做加速运动．）
（3）若用该装置加速氦核（4
2He ），需要对偏转磁场或交变电压作出哪些调整？
【答案】（1）222
2q B r m
（2）2022BR BRd m U qB ππ+-
（3）方案一：增大磁感应强度B ，使得氦核的圆周运动周期等于上述电场的周期即可． 方案二：增大交变电场的周期，使得电场的周期等于氦核圆周运动的周期． 【解析】 【分析】
回旋加速器的工作条件是电场的变化周期与粒子在磁场中运动的周期相等，回旋加速器运用电场加速磁场偏转来加速粒子，根据洛伦兹力提供向心力进行求解即可； 【详解】
（1）洛伦兹力提供向心カ，根据牛顿第二定律有：2
v qvB m r =
粒子的动能为212E mv =，解得222
2k q B r E m
=；
（2）设粒子被加速n 次后达到最大动能，则有0k E nqU =，解得：220
2B r q
n mU =
粒子在狭缝间做匀加速运动，加速度为0
qU a md
=
设n 次经过狭缝的总时间为1t ，根据运动学公式有：()2112
nd a t =
设在磁场中做圆周运动的周期为T ，某时刻质子的速度为v '，半径为r '
则2
v qv B m r '=''
， 22r m T v Bq ππ''==，由()112T t n t =-⋅+总
解得：2220002122B r q m Brd BR BRd m t mU Bq U U qB πππ⎛⎫+=-⋅+=- ⎪⎝⎭
总； （3）氦核的荷质比与质子不同，要实现每次通过电场都被加速，需要保证交变电场的周期。