高中物理速度选择器和回旋加速器解题技巧及经典题型及练习题

高中物理速度选择器和回旋加速器解题技巧及经典题型及练习题

一、速度选择器和回旋加速器

1．有一个正方体形的匀强磁场和匀强电场区域，它的截面为边长L =0.20m 的正方形，其电场强度为54.010E =⨯V/m ，磁感应强度22.010B -=⨯T ，磁场方向水平且垂直纸面向里，当一束质荷比为

104.010m

q

-=⨯kg/C 的正离子流（其重力不计）以一定的速度从电磁场的正方体区域的左侧边界中点射入，如图所示。（计算结果保留两位有效数字） (1)要使离子流穿过电场和磁场区域而不发生偏转，电场强度的方向如何？离子流的速度多大？

(2)在(1)的情况下，在离电场和磁场区域右边界D =0.40m 处有与边界平行的平直荧光屏。若只撤去电场，离子流击中屏上a 点；若只撤去磁场，离子流击中屏上b 点。求ab 间距离。（a ，b 两点图中未画出）

【答案】(1)电场方向竖直向下；2×107m/s ；(2)0.53m 【解析】 【分析】 【详解】

(1)电场方向竖直向下，与磁场构成粒子速度选择器，离子运动不偏转，根据平衡条件有

qE

qvB

解得离子流的速度为

E

v B

=

=2×107m/s (2)撤去电场，离子在碰场中做匀速圆周运动，所需向心力由洛伦兹力提供，则有

2

v qvB m R

=

解得

mv

R qB

=

=0.4m 离子离开磁场区边界时，偏转角为θ，根据几何关系有

1sin 2

L R θ=

= 解得

30θ=

在磁场中的运动如图1所示

偏离距离

1cos y R R θ=-=0.054m

离开磁场后离子做匀速直线运动，总的偏离距离为

1tan y y D θ=+=0.28m

若撤去磁场，离子在电场中做匀变速曲线运动通过电场的时间

L t v

≤

加速度

qE a m

=

偏转角为θ'，如图2所示

则

2

1

tan 2

y v qEL v

mv θ'=

=

= 偏离距离为

2

212

y at =

=0.05m 离开电场后离子做匀速直线运动，总的偏离距离

2tan y y D θ''=+=0.25m

所以a 、b 间的距离

ab =y +y '=0.53m

2．如图所示的直角坐标系xOy ，在其第二象限内有垂直纸面向里的匀强磁场和沿y 轴负方向的匀强电场。虚线OA 位于第一象限，与y 轴正半轴的夹角θ=60°，在此角范围内有垂直纸面向外的匀强磁场；OA 与y 轴负半轴所夹空间里存在与OA 平行的匀强电场，电场强度

大小E =10N/C 。一比荷q =1×106C/kg 的带电粒子从第二象限内M 点以速度v =2.0×103m/s 沿x 轴正方向射出，M 点到x 轴距离d =1.0m ，粒子在第二象限内做直线运动；粒子进入第一象限后从直线OA 上的P 点（P 点图中未画出）离开磁场，且OP =d 。不计粒子重力。 (1)

求第二象限中电场强度和磁感应强度的比值0

E B ； (2)求第一象限内磁场的磁感应强度大小B ；

(3)粒子离开磁场后在电场中运动是否通过x 轴？如果通过x 轴，求其坐标；如果不通过x 轴，求粒子到x 轴的最小距离。

【答案】(1)32.010m/s ⨯；(2)3210T -⨯；(3)不会通过，0.2m 【解析】 【详解】

(1)由题意可知，粒子在第二象限内做匀速直线运动,根据力的平衡有

00qvB qE =

解得

30

2.010m/s E B =⨯ (2)粒子在第二象限的磁场中做匀速圆周运动，由题意可知圆周运动半径

1.0m R d ==

根据洛伦兹力提供向心力有

2

v qvB m R

=

解得磁感应强度大小

3210T B -=⨯

(3)粒子离开磁场时速度方向与直线OA 垂直，粒子在匀强电场中做曲线运动，粒子沿y 轴负方向做匀减速直线运动，粒子在P 点沿y 轴负方向的速度大小

sin y v v θ=

粒子在电场中沿y 轴方向的加速度大小

cos y qE a m

θ

=

设经过t ∆时间，粒子沿y 轴方向的速度大小为零，根据运动学公式有

y y

v t a ∆=

t ∆时间内，粒子沿y 轴方向通过的位移大小

2

y v y t ∆=

⋅∆

联立解得

0.3m y ∆=

由于

cos y d θ∆<

故带电粒子离开磁场后不会通过x 轴，带电粒子到x 轴的最小距离

cos 0.2m d d y θ'=-∆=

3．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 3L 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：