高考物理速度选择器和回旋加速器解析版汇编

高考物理速度选择器和回旋加速器解析版汇编
一、速度选择器和回旋加速器
1．如图所示，两平行金属板AB 中间有互相垂直的匀强电场和匀强磁场。

A 板带正电荷，B 板带等量负电荷，电场强度为E ；磁场方向垂直纸面向里，磁感应强度为B 1。

平行金属板右侧有一挡板M ，中间有小孔O ′，OO ′是平行于两金属板的中心线。

挡板右侧有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为B 2，CD 为磁场B 2边界上的一绝缘板，它与M 板的夹角θ=45°，现有大量质量均为m ，电荷量为q 的带正电的粒子(不计重力)，自O 点沿OO ′方向水平向右进入电磁场区域，其中有些粒子沿直线OO ′方向运动，通过小孔O ′进入匀强磁场B 2，如果这些粒子恰好以竖直向下的速度打在CD 板上的E 点(E 点未画出)，求：
(1)能进入匀强磁场B 2的带电粒子的初速度v ； (2)CE 的长度L
(3)粒子在磁场B 2中的运动时间．
【答案】(1)1 E B (2) 12
2mE qB B (3) 2m qB π 【解析】 【详解】
(1)沿直线OO ′运动的带电粒子，设进入匀强磁场B 2的带电粒子的速度为v ， 根据
B 1qv =qE
解得：
v =
1
E
B (2)粒子在磁感应强度为B 2磁场中做匀速圆周运动，故：
2
2v qvB m r
=
解得：
r =2mv qB =12
mE qB B 该粒子恰好以竖直向下的速度打在CD 板上的E 点，CE 的长度为：
L =
45r sin o
2r 12
2mE
(3) 粒子做匀速圆周运动的周期
2m T
qB
π=
2
t m
qB
π
=
2．如图所示，在直角坐标系xOy平面内有一个电场强度大小为E、方向沿-y方向的匀强电场，同时在以坐标原点O为圆心、半径为R的圆形区域内，有垂直于xOy平面的匀强磁场，该圆周与x轴的交点分别为P点和Q点，M点和N点也是圆周上的两点，OM和ON 的连线与+x方向的夹角均为θ=60°。

现让一个α粒子从P点沿+x方向以初速度v0射入，α粒子恰好做匀速直线运动，不计α粒子的重力。

(1)求匀强磁场的磁感应强度的大小和方向；
(2)若只是把匀强电场撤去，α粒子仍从P点以同样的速度射入，从M点离开圆形区域，求α粒子的比荷
q
m
；
(3)若把匀强磁场撤去，α粒子的比荷
q
m
不变，α粒子仍从P点沿+x方向射入，从N点离开圆形区域，求α粒子在P点的速度大小。

【答案】(1)
E
v，方向垂直纸面向里(2)
3BR
(3)
3
2
v0
【解析】
【详解】
（1）由题可知电场力与洛伦兹力平衡，即
qE=Bqv0
解得
B=
E
v
由左手定则可知磁感应强度的方向垂直纸面向里。

（2）粒子在磁场中的运动轨迹如图所示，
设带电粒子在磁场中的轨迹半径为r，根据洛伦兹力充当向心力得
Bqv0=m
2 0 v r
由几何关系可知
r=3R，联立得
q m =0
3BR
（3）粒子从P到N做类平抛运动，根据几何关系可得
x=3
2
R=vt
y=
3
2
R=
1
2
×
qE
m
t2
又
qE=Bqv0联立解得
v=3
2
3
Bqv R
m
=
3
v0
3．如图所示的速度选择器水平放置，板长为L，两板间距离也为L，下极板带正电，上极板带负电，两板间电场强度大小为E，两板间分布有匀强磁场，磁感强度方向垂直纸面向外，大小为B，E与B方向相互垂直．一带正电的粒子（不计重力）质量为m，带电量为q，从两板左侧中点沿图中虚线水平向右射入速度选择器．
（1）若该粒子恰能匀速通过图中虚线，求该粒子的速度大小；
（2）若撤去磁场，保持电场不变，让该粒子以一未知速度从同一位置水平射入，最后恰能从板的边缘飞出，求此粒子入射速度的大小；
（3）若撤去电场，保持磁场不变，让该粒子以另一未知速度从同一位置水平射入，最后恰能从板的边缘飞出，求此粒子入射速度的大小．
【答案】（1）E
B
；（2
qEL
m
3）
5
4
qBL
m
或
4
qBL
m
【解析】【分析】
（1）若该粒子恰能匀速通过图中虚线，电场力向上，洛伦兹力向下，根据平衡条件，有：
qv 1B =qE
解得：
1E v B
=
（2）若撤去磁场，保持电场不变，粒子在电场中做类平抛运动，则 水平方向有：
L =v 2t
竖直方向有：
21122
L at = 由牛顿第二定律有：
qE =ma
解得：
2v =
（3）若粒子从板右边缘飞出，则
222
2
L r L r =+-（）
解得：
5 4
r L =
由23
3v qv B m r
= 得：
354qBL
v m
＝
若粒子从板左边缘飞出，则：
4
L r =
由24
4v qv B m
r
=得：
44qBL
v m
＝
4．图中左边有一对水平放置的平行金属板，两板相距为d ，电压为U 0，两板之间有垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B 0．图中右边有一半径为R 的圆形匀强磁场区域，磁感应强度大小为B 1，方向垂直于纸面朝外．一束离子垂直磁场沿如图路径穿出，并沿直径MN 方向射入磁场区域，最后从圆形区域边界上的P 点射出，已知图中θ=60o ，不
（1）离子到达M 点时速度的大小； （2）离子的电性及比荷q m
． 【答案】（1）00U dB （2）0
0133U dB B R
【解析】
（1）离子在平行金属板之间做匀速直线运动，
由平衡条件得：qvB 0=qE 0 已知电场强度：0
0U E d
= 联立解得：0
U v dB =
（2）根据左手定则，离子束带负电
离子在圆形磁场区域做匀速圆周运动，轨迹如图所示：
由牛顿第二定律得：2
1mv qvB r
= 由几何关系得：3r R =
00133U q m dB B R
= 点睛：在复合场中做匀速直线运动，这是速度选择器的原理，由平衡条件就能得到进入复合场的速度．在圆形磁场区域内根据偏转角求出离子做匀速圆周运动的半径，从而求出离子的比荷，要注意的是离开磁场时是背向磁场区域圆心的．
5．如图所示，A 、B 两水平放置的金属板板间电压为U(U 的大小、板间的场强方向均可调
节)，在靠近A 板的S 点处有一粒子源能释放初速度为零的不同种带电粒子，这些粒子经A 、B 板间的电场加速后从B 板上的小孔竖直向上飞出，进入竖直放置的C 、D 板间，C 、D 板间存在正交的匀强电场和匀强磁场，匀强电场的方向水平向右，大小为E ，匀强磁场的方向水平向里，大小为B 1。

其中一些粒子能沿图中虚线做直线运动到达上方竖直圆上的a 点，圆内存在磁感应强度大小为B 2、方向水平向里的匀强磁场。

其中S 、a 、圆心O 点在同一竖直线上。

不计粒子的重力和粒子之间的作用力。

求： (1)能到达a 点的粒子速度v 的大小；
(2)若e 、f 两粒子带不同种电荷，它们的比荷之比为1︰3，都能到达a 点，则对应A 、B 两金属板间的加速电压U 1︰U 2的绝对值大小为多大；
(3)在满足(2)中的条件下，若e 粒子的比荷为k ，e 、f 两粒子在磁场圆中射出的两位置恰好在圆形磁场的同一条直径上，则两粒子在磁场圆中运动的时间差△t 为多少?
【答案】（1）1
E v B =；（2）12:3:1U U =；（3）1229t t t kB π∆=-=
【解析】 【详解】
解：(1)能达到a 点的粒子速度设为v ，说明在C 、D 板间做匀速直线运动，有：1qvB qE = 解得：1
E
v B =
(2)由题意得e 、f 两粒子经A 、B 板间的电压加速后，速度都应该为v ，根据动能定理得：
21
qU mv 2
=
它们的比荷之比：
e f
e f
q q :1:3m m = 得出：12U :U 3:1=
(3)设磁场圆的半径为R ，e 、f 粒子进入磁场圆做圆周运动
对e 粒子：2
1211
v q vB m r =
对f粒子：
2 222
2
v
q vB m
r
=
解得：1
2
r3
r1
=
e、f两粒子在磁场圆中射出的两位置恰好在同一条直径上，说明两粒子的偏转角之和为180o， e、f两粒子的轨迹图如图所示，由几何关系有：
1
R
tanθ
r
=
2
R
tanθ
r
=
θα90o
+=
联立解得：θ30
=o，α60
=o
e、f两粒子进入磁场圆做匀速圆周运动的周期满足：
1
1
2πr
T
v
=
2
2
2πr
T
v
=
e f
e f
q q
:1:3
m m
=
在磁场中运动的时间：
11
2θ
t T
360
=
o
22
2α
t T
360
=
o
12
t t
>
两粒子在磁场中运动的时间差为：12
2
π
Δt t t
9kB
=-=
6．如图，在整个直角坐标系xoy区域存在方向沿y轴负方向的匀强电场，场强大小为E；在x>0区域还存在方向垂直于xoy平面向内的匀强磁场。

一质量为m、电荷量为q的带正
电粒子从x 轴上x=－L 的A 点射出，速度方向与x 轴正方向成45°，粒子刚好能垂直经过y 轴，并且在第一象限恰能做直线运动，不计粒子重力
(1)求粒子经过y 轴的位置 (2)求磁感应强度B 的大小
(3)若将磁场的磁感应强度减小为原来的一半，求粒子在x>0区域运动过程中的最大速度和最低点的y 坐标。

【答案】（1）y=12L （2）mE B qL = （3）3m qEL v m
= 72y L =-
【解析】 【分析】
（1）粒子在第二象限做类平抛运动，根据平抛运动的规律求解粒子经过y 轴的位置；（2）粒子在第一象限恰能做直线运动，则电场力等于洛伦兹力，可求解B ；（3）将x>0区域的曲线运动看做以2v 1的匀速直线运动和以v 1的匀速圆周运动的合成，结合直线运动和圆周运动求解最大速度和最低点坐标。

【详解】
（1）粒子在第二象限做类平抛运动，设初速度为v ，
122
2
v v ==
L=v 1t
2
2
v y t =
联立解得2L y =，则经过y 轴上2
L
y =的位置； （2）qE a m
= v 2=at 可得1qEL
v m
=
qv 1B=qE 解得mE
B qL
=
（3）将x>0区域的曲线运动看做以2v 1的匀速直线运动和以v 1的匀速圆周运动的合成，如图；
2112v B
qv m r
⋅=
解得2
122mv r L qE == 24y r L ∆==
最低点y 坐标为1722
y L y L =-∆=- 此时速度最大为v m =2v 1+v 1
解得3
m qEL
v m
=
7．如图所示，一对平行金属极板a 、b 水平正对放置，极板长度为L ，板间距为d ，极板间电压为U ，且板间存在垂直纸面磁感应强度为B 的匀强磁场（图中未画出）。

一带电粒子以一定的水平速度从两极板的左端正中央沿垂直于电场、磁场的方向射入极板间，恰好做匀速直线运动，打到距离金属极板右端L 处的荧光屏MN 上的O 点。

若撤去磁场，粒子仍能从极板间射出，且打到荧光屏MN 上的P 点。

已知P 点与O 点间的距离为h ，不计粒子的重力及空气阻力。

（1）请判断匀强磁场的方向；
（2）求带电粒子刚进入极板左侧时的速度大小v ； （3）求粒子的比荷（
q
m
）。

【答案】（1）磁场方向垂直纸面向里（2）v =U Bd （3）2223q Uh m B L d
= 【解析】 【分析】
（1）由左手定则可知磁场方向。

（2）粒子在极板间做直线运动，可知洛伦兹力与电场力相等；
（3）若撤去磁场，粒子在电场中做类平抛运动，结合水平和竖直方向的运动特点解答； 【详解】
（1）由左手定则可知，磁场方向垂直纸面向里。

（2）带电粒子受力平衡，有qvB q =U d
粒子进入极板时的速度v =
U Bd
（3）带电粒子在两极板间运动时间t 1=
L v ，加速度qU a md
= 带电粒子穿过电场时的侧移量2
2112
122qUL y at mdv
== 带电粒子离开两极板间后做匀速直线运动的时间t 2=
L
v
带电粒子从极板右端射出时沿竖直方向的速度v y =1qUL
at mdv
=
带电粒子离开两极板间后在竖直方向的位移2
222
y qUL y v t mdv == 两次侧移量之和为h ，即：h =y 1+y 2=2
2
32qUL mdv 解得：
2223q Uh m B L d
= 【点睛】
此题是带电粒子在复合场中的运动问题；关键是搞清粒子在场中的运动特征和受力情况；
粒子在电场中的偏转问题，主要是结合类平抛运动的规律解答.
8．如图所示，两平行金属板水平放置，板间存在垂直纸面的匀强磁场和电场强度为E 的匀强电场。

金属板右下方以MN 为上边界，PQ 为下边界，MP 为左边界的区域内，存在垂直纸面向外的匀强磁场，磁场宽度为d ，MN 与下极板等高，MP 与金属板右端在同一竖直线。

一个电荷量为q 、质量为m 的正离子以初速度在两板间沿平行于金属板的虚线射入金属板间。

不计粒子重力。

(1)已知离子恰好做匀速直线运动，求金属板间的磁感应强度B 0；
(2)若撤去板间磁场B 0，离子恰好从下极板的右侧边缘射出电场，方向与水平方向成30°角，离子进入磁场运动后从磁场边界点射出，求该磁场的磁感应强度B 的大小。

【答案】（1）0E v （2）0
2mv qd
【解析】 【详解】
（1）设板间的电场强度为E ，离子做匀速直线运动，受到的电场力和洛伦兹力平衡，有：qE=qv 0B 0， 解得：00
E B v =
； （2）离子在电场中做类平抛运动，水平方向做匀速运动，则出离电场进入磁场的速度：00303
v v cos =
=︒，
设离子进入磁场后做匀速圆周运动的半径为r ，根据牛顿第二定律，得：qvB=2
v m r
， 由几何关系得：1
2
d =rcos30°， 解得：0
2=mv B qd
； 【点睛】
离子在速度选择器中做匀速直线运动，在电场中做类平抛运动，在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，根据题意分析清楚离子运动过程是解题的前提与关键，应用牛顿第二定律与类平抛运动规律可以解题。

9．回旋加速器原理如图所示，D 1和D 2是两个中空的半圆形金属盒，置于与盒面垂直的匀强磁场中，它们接在交流电源上，位于D 1圆心处的离子源A 能不断产生正离子，它们在两盒之间被电场加速，当正离子被加速到最大动能E k 后，再设法将其引出。

已知正离子的电荷量为q ，质量为m ，加速时电极间电压大小恒为U ，磁场的磁感应强度为B ，D 型盒的半径为R ，狭缝之间的距离为d 。

设正离子从离子源出发时的初速度为零。

(1)试计算上述正离子被第一次加速后进入D 2中运动的轨道半径； (2)计算正离子飞出时的最大动能；
(3)设该正离子在电场中的加速次数与回旋半周的次数相同，试证明当R >>d 时，正离子在电场中加速的总时间相对于在D 形盒中回旋的时间可忽略不计（正离子在电场中运动时，不考虑磁场的影响）。

【答案】(1)112mU r B q =(2)222
2k q B R E m
=；(3)见解析
【解析】 【分析】 【详解】
(1)设质子第1次经过狭缝被加速后的速度为v 1，根据动能定理可得
211
2
qU mv =
解得
12qU
v m
=
洛伦兹力充当向心力，则有
2
111
v qv B m r =
解得
112mU
r B q
=
(2)离子射出时加速器时
2m
m v qv B m R
=
解得
m qBR
v m
=
离子动能为
222
2122k q B R E mv m
==
(3)在电场中运动可以看做连续的匀加速直线运动，设离子射出时速度为v 。

根据平均速度公式可得在电场中运动时间为
122
nd nd
t v v =
= 离子在D 形盒中运动的周期为
22=
m R
T qB v
ππ= 粒子在磁场中回旋的时间为
22n n R t T v
π==
有
122nd t v n R t v
π==2d R
π 当d <<R 时，t 1<<t 2，即电场中运动时间可以忽略
10．回旋加速器核心部分是两个D 形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接．以便在盒间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过狭缝都得到加速．两盒放在磁惑应强度为B 的匀强磁场中．磁场方向垂直于盒底面．粒子源置于盒的圆心附近，若粒子源射出的粒子带电荷量为q ，质量为m ，粒子最大回旋半径为Rn ，其运动轨迹如图所示．问.
(1)D 形盒内有无电场？ (2)粒子在盒内做何种运动？
(3)所加交流电压频率应是多大．粒子运动的角速度为多大？
(4)粒子离开加速器时速度为多大？最大动能为多少？
(5)设两D 形盒间电场的电势差为U ，盒间距离为d ，其间电场均匀，求把静止粒子加速到上述能量所需时间．
【答案】(1) D 形盒内无电场 (2) 粒子在盒内做匀速圆周运动 (3)
2qB
m
π ， qB m (4)
n qBR m ，222
2n q B R m
(5) 2n n BR BR d U U π+
【解析】 【分析】 【详解】
(1)加速器由D 形盒盒间缝隙组成，盒间缝隙对粒子加速，D 形盒起到让粒子旋转再次通过盒间缝隙进行加速，要做匀速圆周运动，则没有电场．电场只存在于两盒之间，而盒内无电场.
(2)粒子在磁场中只受洛伦兹力作用，洛伦兹力始终与速度垂直，粒子做匀速圆周运动
(3)所加交流电压频率等于粒子在磁场中的频率，根据2
v qvB m r
=和2r T v π=
可得2m
T qB
π=
， 故频率12qB f T m
π=
= 运动的角速度2qB T m
πω=
= (4)粒子速度增加则半径增加，当轨道半径达到最大半径时速度最大，由mv
r qB
= 得：2
max
n qBR v m
=
则其最大动能为：222
2122n km n q B R E mv m
== (5)由能量守恒得：
2
12
mv nqU = 则离子匀速圆周运动总时间为：12nT t = 离子在匀强电场中的加速度为：qU
a md
= 匀加速总时间为：2m
v t a = 解得：122n
n BR BR d
t t t U
U
π=+=+ 【点睛】
解决本题的关键知道回旋加速器利用磁场偏转和电场加速实现加速粒子，最大速度决定于D 形盒的半径．
11．在高能物理研究中，粒子加速器起着重要作用，而早期的加速器只能使带电粒子在高压电场中加速一次，因而粒子所能达到的能量受到高压技术的限制。

1930年，
·EamestO Lawrence 提出了回旋加速器的理论，他设想用磁场使带电粒子沿圆弧形轨道旋转，多次反复地通过高频加速电场，直至达到高能量。

图17甲为·EamestO Lawrence 设
计的回旋加速器的示意图。

它由两个铝制D 型金属扁盒组成，两个D 形盒正中间开有一条狭缝；两个D 型盒处在匀强磁场中并接有高频交变电压。

图17乙为俯视图，在D 型盒上半面中心S 处有一正离子源，它发出的正离子，经狭缝电压加速后，进入D 型盒中。

在磁场力的作用下运动半周，再经狭缝电压加速；为保证粒子每次经过狭缝都被加速，应设法使变电压的周期与粒子在狭缝及磁场中运动的周期一致。

如此周而复始，最后到达D 型盒的边缘，获得最大速度后被束流提取装置提取出。

已知正离子的电荷量为q ，质量为m ，加速时电极间电压大小恒为U ，磁场的磁感应强度为B ，D 型盒的半径为R ，狭缝之间的距离为d 。

设正离子从离子源出发时的初速度为零。

（1）试计算上述正离子从离子源出发被第一次加速后进入下半盒中运动的轨道半径； （2）尽管粒子在狭缝中每次加速的时间很短但也不可忽略。

试计算上述正离子在某次加速过程当中从离开离子源到被第n 次加速结束时所经历的时间；
（3）不考虑相对论效应，试分析要提高某一离子被半径为R 的回旋加速器加速后的最大动能可采用的措施。

【答案】（1）122mU r qB =2）2(1)nm n m
t qU qB
π-=（3）增大加速器中的磁感应强
度B 【解析】 【详解】
（1）设正离子经过窄缝被第一次加速加速后的速度为v 1，由动能定理得：
2
112
qU mv =
正离子在磁场中做匀速圆周运动，半径为r 1，由牛顿第二定律得：
2
111
v qv B m r =
由以上两式解得：
1r =
（2）设正离子经过窄缝被第n 次加速加速后的速度为v n ，由动能定理得：
212
n nqU mv =
把电场中的多次加速凑成连续的加速过程，可得粒子在狭缝中经n 次加速的总时间为：
1n
v t a
=
由牛顿第二定律有：
U
q
ma d
= 由以上三式解得电场对粒子加速的时间为：
1t = 正离子在磁场中做匀速圆周运动，由牛顿第二定律有：
2
v qvB m r
=
又因有：
2r
T v
π=
每加速一次后都要做半个周期的圆周，则粒子在磁场中做圆周运动的时间为：
2(1)
2
T t n =- 由以上三式解得：
2(1)n m
t qB
π-=
所以粒子从离开离子源到被第n 次加速结束时所经历的时间为：
12(1)n m
t t t qB
π-=+= 故正离子在某次加速过程当中从离开离子源到被第n 次加速结束时所经历的时间为
(1)n m
qB
π- （3）设离子从D 盒边缘离开时做圆周运动的轨迹半径为r m ，速度为v m
m r R =
2m
m m
v qv B m r =
离子获得的最大动能为：
222
2122km
m q B R E mv m
==
所以，要提高某一离子被半径为R 的回旋加速器加速后的最大动能可以增大加速器中的磁感应强度B ．
12．1930年，Earnest O. Lawrence 提出了回旋加速器的理论，他设想用磁场使带电粒子沿圆弧形轨道旋转，多次反复地通过高频加速电场，直至达到高能量。

题图甲为Earnest O. Lawrence 设计的回旋加速器的示意图。

它由两个铝制D 型金属扁盒组成，两个D 形盒正中间开有一条狭缝；两个D 型盒处在匀强磁场中并接有高频交变电压。

图乙为俯视图，在D 型盒上半面中心S 处有一正离子源，它发出的正离子，经狭缝电压加速后，进入D 型盒中。

在磁场力的作用下运动半周，再经狭缝电压加速；为保证粒子每次经过狭缝都被加速，应设法使交变电压的周期与粒子在狭缝及磁场中运动的周期一致。

如此周而复始，最后到达D 型盒的边缘，获得最大速度后被束流提取装置提取出。

已知正离子的电荷量为q ，质量为m ，加速时电极间电压大小恒为U ，磁场的磁感应强度为B ，D 型盒的半径为R ，狭缝之间的距离为d 。

设正离子从离子源出发时的初速度为零。

（1）试计算上述正离子从离子源出发被第一次加速后进入下半盒中运动的轨道半径； （2）设该正离子在电场中的加速次数与回旋半周的次数相同，试推证当R>>d 时，正离子在电场中加速的总时间相对于在D 形盒中回旋的时间可忽略不计（正离子在电场中运动时，不考虑磁场的影响）。

（3）若此回旋加速器原来加速的是α粒子（
），现改为加速氘核（
），要想使氘核
获得与α粒子相同的动能，请你通过分析，提出一种简单可行的办法。

【答案】（1）（2）见解析（3）
【解析】 【详解】
（1）设质子经过窄缝被第n 次加速后速度为v n ，由动能定理 nqU=mv n 2
第n次加速后质子在磁场中做匀速圆周运动的半径为R n，由牛顿第二定律 Bqv n=m
由以上两式解得
则R1=；
（2）在电场中加速的总时间为：
在D形盒中回旋的时间为t2=
故≪1
即只有当R≫d时，质子在电场中加速的总时间相对于在D形盒中回旋的时间可忽略不计．
（3）若加速氘核，氘核从D盒边缘离开时的动能为E k′则：E k′==E km
联立解得 B1= B
即磁感应强度需增大为原来的倍；高频交流电源的周期T=，由α粒子换为氘核
时，交流电源的周期应为原来的倍．
【点睛】
解决本题的关键知道回旋加强器的工作原理，利用磁场偏转，电场加速．以及知道回旋加强器加速粒子的最大动能与什么因素有关．粒子离开加速器时圆周运动的轨道半径等于D 形盒的半径，在电场中的总的运动可以看做连续的匀加速直线运动．
13．1932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．回旋加速器的工作原理如图甲所示，置于高真空中的D形金属盒半径为R，两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计．磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，加速器接一定频率的高频交流电源，保证粒子每次经过电场都被加速，加速电压为U．A处粒子源产生的粒子，质量为m、电荷量为q，初速度不计，在加速器中被加速，加速过程中不考虑相对论效应和重力作用．
（1）求第1次被加速后粒子的速度大小为v ；
（2）经多次加速后，粒子最终从出口处射出D 形盒，求粒子射出时的动能km E 和在回旋加速器中运动的总时间t ；
（3）近年来，大中型粒子加速器往往采用多种加速器的串接组合．例如由直线加速器做为预加速器，获得中间能量，再注入回旋加速器获得最终能量．n 个长度逐个增大的金属圆筒和一个靶，它们沿轴线排列成一串，如图乙所示（图中只画出了六个圆筒，作为示意）．各筒相间地连接到频率为f 、最大电压值为U 的正弦交流电源的两端．整个装置放在高真空容器中．圆筒的两底面中心开有小孔．现有一电量为q 、质量为m 的正离子沿轴线射入圆筒，并将在圆筒间的缝隙的时间可以不计．已知离子进入第一个圆筒左端的速度为1v ，且此时第一、二两个圆筒间的电势差12U U U -=-．为使打到靶上的离子获得最大能量 ，各个圆筒的最小长度应满足什么条件？并求出在这种情况下打到靶上的离子的能量．
【答案】（12qU m （2）2222q B R m ，2
2BR U
π （3）())212111,2,3,2n n qU
L v n f
m
-=
+=L L ，
()()211
11,2,32
kn E n qU mv n =-+=L L
【解析】
（1）粒子第1次被加速后，212qU mv =
，2qU v m
=； （2）粒子在磁场中做匀速圆周运动，当运动轨迹的半径r R =时，粒子的速度最大，
动能最大，设最大速度为m v ，有2
m
m v qv B m R
=， 粒子获得的最大动能222
2122m m q B R E mv m
==
， 粒子在磁场中运动一个周期，被电场加速两次．设粒子到出口处被加速了n 次，
212=m nqU mv ，解得22
2qB R n mU
=，
带电粒子在磁场中运动的周期为22r m
T v qB
ππ=
=， 粒子在磁场中运动的总时间2
22T BR t n U
π==
； （3）为使正离子获得最大能量，要求离子每次穿越缝隙时，前一个圆筒的电势比后一个圆筒的电势高U ，这就要求离子穿过每个圆筒的时间都恰好等于交流电的半个周期．由于圆筒内无电场，离子在筒内做匀速运动．
设离子在第n 个圆筒内的速度为n v ，第n 个圆筒的长度为n L ，则有
·22n n n v T L v f ==，()22111122n mv mv n qU -=-，()2121n n qU v v m
-=+，
第n 个圆筒的长度应满足的条件为()()21211
1,2,3,2n n qU
L v n f
m
-=
+=L L ，
打到靶上的离子的能量为()()2
1111,2,32
kn E n qU mv n =-+
=L L ． 点睛：回旋加速器中最大的 速度不是由回旋次数决定而是由回旋加速器的半径决定，另外要知道电场变化的周期恰好等于粒子在磁场中运动的周期，一个周期内加速两次．
14．回旋加速器是加速带电粒子的常用仪器，其结构示意图如图甲所示，其中置于高真空中的金属D 形盒的半径为R ，两盒间距极小，在左侧D 形盒圆心处放有粒子源S ，匀强磁场的磁感应强度为B ，方向如图乙所示(俯视)．设带电粒子质量为m ，电荷量为＋q ，该粒子从粒子源S 进入加速电场时的初速度不计，两金属盒狭缝处加高频交变电压，加速电压大小U 可视为不变，粒子重力不计，粒子在电场中的加速次数等于回旋半周的次数，求： (1)粒子在回旋加速器中经过第一次加速可以达到的速度和第一次在磁场中的回旋半径； (2)粒子在第n 次通过狭缝前后的半径之比；
(3)粒子若能从上侧边缘的引出装置处导出，则R 与U 、B 、n 之间应满足什么条件？
【答案】2Uq m 2Uqm 1n n - (3) qBR m 2nUq
m
【解析】
(1)粒子在加速电场中做匀加速运动，在磁场中做匀速圆周运动，。