高中物理速度选择器和回旋加速器模拟试题及解析

高中物理速度选择器和回旋加速器模拟试题及解析
一、速度选择器和回旋加速器
1．质谱仪最初由汤姆孙的学生阿斯顿设计的，他用质谱仪发现了氖20和氖22，证实了同位素的存在．现在质谱仪已经是一种十分精密的仪器，是测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具．如右图所示是一简化了的质谱仪原理图．边长为L 的正方形区域abcd 内有相互正交的匀强电场和匀强磁场，电场强度大小为E ，方向竖直向下，磁感应强度大小为B ，方向垂直纸面向里．有一束带电粒子从ad 边的中点O 以某一速度沿水平方向向右射入，恰好沿直线运动从bc 边的中点e 射出（不计粒子间的相互作用力及粒子的重力），撤去磁场后带电粒子束以相同的速度重做实验，发现带电粒子从b 点射出，问： （1）带电粒子带何种电性的电荷?
（2）带电粒子的比荷（即电荷量的数值和质量的比值
q
m
）多大? （3）撤去电场后带电粒子束以相同的速度重做实验，则带电粒子将从哪一位置离开磁场，在磁场中运动的时间多少?
【答案】（1）负电（2）2
q E m B L =
（3）从dc 边距离d 点距离为32
L 处射出磁场；3BL E
π
【解析】 【详解】
（1）正电荷所受电场力与电场强度方向相同，负电荷所受电场力与电场强度方向相反，粒子向上偏转，可知粒子带负电； （2）根据平衡条件：
qE =qv 0B
得：
0E
v B
=
撤去磁场后，粒子做类平抛运动，则有：
x =v 0t =L
2 2
12qE L
y t m =
=
得：
2 q E m B L
= （3）撤去电场后带电粒子束在磁场中做匀速圆周运动，则：
2
00v qv B m r
= 得：
mv r L qB
=
= 粒子从dc 边射出磁场，设粒子射出磁场距离d 点的距离为x ，根据几何关系：
22
22L x r r +-=（）
r=L
得：
x L =
所以1
3
θπ=
23BL t T E
θππ=
= 答：（1）带电粒子带负电； （2）带电粒子的比荷2
q
E
m B L
=
； （3）撤去电场后带电粒子束以相同的速度重做实验，则带电粒子将从dc 边距离d 点
x L =
处离开磁场，在磁场中运动的时间3BL t E =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v 0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)0E v
，方向垂直纸面向里(2)03BR (3)3v 0 【解析】 【详解】
（1）由题可知电场力与洛伦兹力平衡，即
qE =Bqv 0
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
Bqv 0=m 20
v r
由几何关系可知
r 3，
联立得
q m
03BR （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=12×qE m t 2
又
qE =Bqv 0
联立解得
v =
3
2
03Bqv R m
=
3v 0
3．如图，平行金属板的两极板之间的距离为d ，电压为U 。

两极板之间有一匀强磁场，磁感应强度大小为B 0，方向与金属板面平行且垂直于纸面向里。

两极板上方一半径为R 、圆心为O 的圆形区域内也存在匀强磁场，磁感应强度大小为B ，方向垂直于纸面向里。

一带正电的粒子从A 点以某一初速度沿平行于金属板面且垂直于磁场的方向射入两极板间，而后沿直径CD 方向射入圆形磁场区域，并从边界上的F 点射出。

已知粒子在圆形磁场区域运动过程中的速度偏转角23
π
θ=
，不计粒子重力。

求：
（1）粒子初速度v 的大小； （2）粒子的比荷。

【答案】（1）v = o U B d （2）3o q U m BB Rd
= 【解析】 【详解】
（1）粒子在平行金属板之间做匀速直线运动 qvB 0 = qE ① U = Ed ②
由①②式得v = o U
B d
③ （2）在圆形磁场区域，粒子做匀速圆周运动，由牛顿第二定律有
2
v qvB m r
= ④
由几何关系有：tan
2
R
r
θ
=
⑤ 由③④⑤式得：
3o q U
m =
⑥
4．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
=
5．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向里磁感应强度为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。

已知粒子的质量为m ，电荷量为q ，不计粒子的重力及空气阻力。

（1）求带电粒子刚进入极板左侧时的速度大小v；（2）求粒子打到荧光屏P点时动能大小；
（3）求荧光屏上P点与o点间距离。

【答案】（1）U
Bd
（2）
2222
22
22
q L B mU
m d B
+ (3)
22
3
2
qB L d
mU
【解析】
【分析】
（1）带电粒子受力平衡，洛伦兹力等于电场力，从而求解粒子进入极板时的速度；（2，3）只有电场时，粒子在电场中做类平抛运动，结合运动公式求解粒子打到荧光屏P点时动能大小以及荧光屏上P点与O点间距离；
【详解】
（1）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
（2）带电粒子在两极板间运动时间t1=L
v，加速度
qU
a
md
=
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
=
粒子出偏转场时动能大小为
2222 222
22 11
()
2222 K y
q L B mU E mv m v v
m d B ==+=+
（3）带电粒子穿过电场时的侧移量
2
2
112 1
22
qUL y at
mdv ==
带电粒子离开两极板间后做匀速直线运动的时间t2=L v
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 ==
P点与O点距离h=y1+y2=
222
2
33
=
22 qUL qB L d mdv mU
6．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
1 1
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。

7．正、负电子从静止开始分别经过同一回旋加速器加速后，从回旋加速器D 型盒的边缘引出后注入到正负电子对撞机中．正、负电子对撞机置于真空中．在对撞机中正、负电子对撞后湮灭成为两个同频率的光子．回旋加速器D 型盒中的匀强磁场的磁感应强度为0B ，回旋加速器的半径为R ，加速电压为U ；D 型盒缝隙间的距离很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计．电子的质量为m 、电量为e ，重力不计．真空中的光速为c ，普朗克常量为h ．
（1）求正、负电子进入对撞机时分别具有的能量E 及正、负电子对撞湮灭后产生的光子频率v
（2）求从开始经回旋加速器加速到获得最大能量的过程中，D 型盒间的电场对电子做功的平均功率P
（3）图甲为正负电子对撞机的最后部分的简化示意图．位于水平面的粗实线所示的圆环真空管道是正、负电子做圆周运动的“容器”，正、负电子沿管道向相反的方向运动，在管道内控制它们转变的是一系列圆形电磁铁．即图中的A 1、A 2、A 4……A n 共有n 个，均匀分布在整个圆环上．每个电磁铁内的磁场都是匀强磁场，并且磁感应强度都相同，方向竖直向下．磁场区域的直径为d ．改变电磁铁内电流大小，就可以改变磁场的磁感应强度，从而改变电子偏转的角度．经过精确调整，首先实现电子在环形管道中沿图甲中粗虚线所示的轨道运动，这时电子经过每个电磁铁时射入点和射出点都在电磁铁的同一直径的两端，如图乙所示．这就为进一步实现正、负电子的对撞做好了准备．求电磁铁内匀强磁场的磁感应强度B 大小
【答案】(1) 222202e B R mc v mh h =+，222
02e B R E m = ；(2) 20e B U m
π ；(3)02sin B R n d
π
【解析】 【详解】
解：(1)正、负电子在回旋加速器中磁场里则有：2
00mv evB R
=
解得正、负电子离开回旋加速器时的速度为：00eB R
v m
=
正、负电子进入对撞机时分别具有的能量：2222
00122e B R E mv m
==
正、负电子对撞湮灭时动量守恒，能量守恒，则有：222E mc hv +=
正、负电子对撞湮灭后产生的光子频率：2222
02e B R mc v mh h
=+
(2) 从开始经回旋加速器加速到获得最大能量的过程，设在电场中加速n 次，则有：
201
2
neU mv =
解得：22
02eB R n mU
=
正、负电子在磁场中运动的周期为：0
2m
T eB π=
正、负电子在磁场中运动的时间为：2022B R n
t T U
π==
D 型盒间的电场对电子做功的平均功率：20e B U
W E P t t m
π===
(3)设电子在匀强磁场中做圆周运动的半径为r ，由几何关系可得sin
2
d
r n
π
=
解得：
2sin
d r n
π=
根据洛伦磁力提供向心力可得：2
00mv ev B r
=
电磁铁内匀强磁场的磁感应强度B 大小：
02sin
B R n B d
π
=
8．1932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
⑤⑥
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，D1、
D2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．
9．回旋加速器在核科学、核技术、核医学等高新技术领域得到了广泛应用，有力地推动了现代科学技术的发展。

回旋加速器的原理如图，D1和D2是两个中空的半径为R的半圆金属盒，它们接在电压一定、频率为f的交流电源上，取粒子在磁场中运动的周期与交流电的周期相同。

位于D1圆心处的质子源A能不断产生质子（初速度可以忽略，重力不计），它们在两盒之间被电场加速，D1、D2置于与盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中。

若输出时质子束的等效电流为I.（忽略质子在电场中的加速时间及质子的最大速度远远小于光速）
(1)写出质子在该回旋加速器中运动的周期及质子的比荷q m
(2)求质子束从回旋加速器输出时的平均功率为P.
(3)若使用此回旋加速器加速氘核，要想使氘核获得与质子相同的最大动能，请分析此时磁感应强度应该如何变化，并写出计算过程。

【答案】（1）2f
B
π
；（2）2
I BR f
π；（32
【解析】
【详解】
（1）由回旋加速器的工作原理可知，交变电源的频率与质子回旋的频率相同，由周期T 与频率f 的关系可知：T=1/f ；
设质子质量为m ，电荷量为q ，质子离开加速器的速度为v ，由牛顿第二定律可知：
2
v qvB m R
= ；
质子回旋的周期：22R m
T v qB
ππ== 则质子的比荷为：
2q f m B
π= （2）设在t 时间内离开加速器的质子数为N ，Nq
I t
=
则质子束从回旋加速器输出时的平均功率2
12N mv P t
⋅=
由上述各式得2
P IBR f π=
（3）若使用此回旋加速器加速氘核，E k1=E k2
22112211=22
m v m v 222222
1212221211
22R B q R B q m m m m = 2212
12
B B m m =
21B =
倍
10．如图所示为回旋加速器的结构示意图，匀强磁场的方向垂直于半圆型且中空的金属盒D 1和D 2，磁感应强度为R ，金属盒的半径为R ，两盒之间有一狭缝，其间距为d ，且
R d ?，两盒间电压为U .A 处的粒子源可释放初速度不计的带电粒子，粒子在两盒之间被
加速后进入D 1盒中，经半个圆周之后再次到达两盒间的狭缝。

通过电源正负极的交替变化，可使带电粒子经两盒间电场多次加速后获得足够高的能量.已知带电粒子的质量为m 、电荷量为+q .
(1)不考虑加速过程中的相对论效应和重力的影响. ①求粒子可获得的最大速度v m ；
②若粒子第1次进入D 1盒在其中的轨道半径为r 1，粒子第1次进入D 2盒在其中的轨道半径为r 2，求r 1与r 2之比.
(2)根据回旋加速器的工作原理，请通过计算对以下两个问题进行分析：
①在上述不考虑相对论效应和重力影响的情况下，计算粒子在回旋加速器中运动的时间时，为何常常忽略粒子通过两盒间狭缝的时间，而只考虑粒子在磁场中做圆周运动的时间；
②实验发现：通过该回旋加速器，加速的带电粒子能量达到25~30MeV 后，就很难再加速了。

这是由于速度足够大时，相对论效应开始显现，粒子的质量随着速度的增加而增大。

结合这一现象，分析在粒子获得较高能量后，为何加速器不能继续使粒子加速了。

【答案】(1)①m qBR v m = ②122r r =(2)①22BR t U
π= ②2m T qB π=
【解析】 【详解】
（1）①由牛顿第二定律有：2
m v qvB m R
=
可知最大速度m qBR
v m
=
②设带电粒子在两盒间加速的次数为N ，由2
v qvB m r
=和2102NqU mv =-
可得12NmU
r B q
=
所以
122
r r =（2）①带电粒子在两盒间电场中加速过程中的加速度qU
a md
= 在电场中加速的总时间为1m v BdR t a U
=
= 带电粒子运动一圈加速2次，设粒子在磁场中的运动圈数为n
依据动能定理有：222
m
mv nqU =
带电粒子运动一圈的时间2m
T qB
π=
则带电粒子在磁场中运动的总时间为2
22BR t U
π=
由于R d ?，可知12t t =，所以1t 可忽略。

②由2
v qvB m r
=和2r T v π=、
可得：2m T qB
π=
从该周期公式发现，速度增加，粒子的质量会增加，其运动周期会变化，但加速电场周期不变，从而使得加速电场的变化周求与粒子的运动周期不匹配，导致无法加速。

11．回旋加速器D 形盒中央为质子流，D 形盒的交流电压为U ，静止质子经电场加速后，进入D 形盒，其最大轨道半径为R ，磁场的磁感应强度为B ，质子质量为m .求： (1)质子最初进入D 形盒的动能多大； (2)质子经回旋加速器最后得到的动能多大； (3)交流电源的频率是多少．
【答案】(1)eU (2) 2222e B R m (3) 2eB
m
π
【解析】（1）质子在电场中被加速，根据动能定理，则有最初进入D 型盒的动能：
k E eU =；
（2）根据2v qvB m R =得，粒子出D 形盒时的最后的速度为： m eBR
v m
=，
则粒子出D 形盒时的最后的动能为： 222
2122km
m e B R E mv m
==； （3）由洛伦兹力提供向心力，则有： 2v Bev m r =，而2r
T v
π=，所以粒子在磁场中运行
周期为2m
T eB
π=，因一直处于加速状态，则磁场中的周期与交流电源的周期相同，即为： 2m T eB π=
，因此频率为2eB
f m
π=。

点睛：考查粒子做匀速圆周的周期公式与半径公式的应用，掌握牛顿第二定律，注意交流电源变化周期与粒子在磁场中偏转周期的关系。

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0
2m
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
'
=
'
'
，
22
r m
T
v Bq
ππ
'
'
==，由()
1
1
2
T
t n t
=-⋅+
总
解得：
222
000
2
1
22
B 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与磁场中圆周运动的周期相同，粒子在磁场中的圆周运动周期
2m
T
qB
π
=，氦核的荷质比大于质子，使得圆周运动周期变大
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．
【点睛】
解决本题的关键知道回旋加速器电场和磁场的作用，知道最大动能与什么因素有关，以及知道粒子在磁场中运动的周期与电场的变化的周期相等．
13．1930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 n2
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．
14．如图所示为回旋加速器的原理示意图，其核心部分是两个靠得非常近的D形盒，两盒分别和一交流电源的两极相连，交流电源对粒子的加速电压为U，匀强磁场分布在两D形盒内且垂直D形盒所在平面，磁感应强度为B，在D形盒中央S点处放有粒子源。

粒子源放出质量为m、带电量为q的粒子（设粒子的初速度为零）被回旋加速器加速，设D形盒的最大半径为R，求：。