高中物理速度选择器和回旋加速器试题经典及解析

高中物理速度选择器和回旋加速器试题经典及解析
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，正方形ABCD 区域内存在着竖直向下的匀强电场和垂直纸面向里的匀强磁场，已知该区域的边长为L 。

一个带电粒子（不计重力）从AD 中点以速度v 水平飞入，恰能匀速通过该场区；若仅撤去该区域内的磁场，使该粒子以同样的速度v 从AD 中点飞入场区，最后恰能从C 点飞出；若仅撤去该区域内的电场，该带电粒子仍从AD 中点以相同的速度v 进入场区，求： (1)该粒子最后飞出场区的位置；
(2)仅存电场与仅存磁场的两种情况下，带电粒子飞出场区时速度偏向角之比是多少？
【答案】(1)AB 连线上距离A 点3
L 处，(2)34。

【解析】 【详解】
(1)电场、磁场共存时，粒子匀速通过可得：
qvB qE =
仅有电场时，粒子水平方向匀速运动：
L vt =
竖直方向匀加速直线运动：
2
122L qE t m
= 联立方程得：
2qEL
v m
=
仅有磁场时：
2
mv qvB R
= 根据几何关系可得：
R L =
设粒子从M 点飞出磁场，由几何关系：
AM 2
2
2L R ⎛⎫- ⎪⎝⎭
=3L
所以粒子离开的位置在AB 连线上距离A 点
3
2
L 处； (2)
仅有电场时，设飞出时速度偏角为α，末速度反向延长线过水平位移中点：
2tan 12
L
L α==
解得：45α︒=
仅有磁场时，设飞出时速度偏角为β：
tan 3AM
OA
β=
= 解得：60β︒
= 所以偏转角之比：
34
αβ=。

3．如图，空间存在匀强电场和匀强磁场，电场方向为y 轴正方向，磁场方向垂直于xy 平面（纸面）向外，电场E 和磁场B 都可以随意加上或撤除，重新加上的电场或磁场与撤除前的一样。

一带正电的粒子质量为m 、电荷量为q 从P (x =0，y =h )点以一定的速度平行于x 轴正向入射。

这时若只有磁场，粒子将做半径为R 0的圆周运动；若同时存在电场和磁场，粒子恰好做直线运动．求：
（1）若只有磁场，粒子做圆周运动的半径R 0大小； （2）若同时存在电场和磁场，粒子的速度0v 大小；
（3）现在，只加电场，当粒子从P 点运动到x =R 0平面（图中虚线所示）时，立即撤除电场同时加上磁场，粒子继续运动，其轨迹与x 轴交于M 点。

（不计重力）。

粒子到达x =R 0平面时速度v 大小以及粒子到x 轴的距离； （4）M 点的横坐标x M 。

【答案】（1）0mv qB （2）E B （302v ，02R h +（4）2
2000724
M x R R R h h =++-【解析】 【详解】
（1）若只有磁场，粒子做圆周运动有：
2
0 qB m
R
=
v v
解得粒子做圆周运动的半径0
m
R
qB
ν
=
（2）若同时存在电场和磁场，粒子恰好做直线运动，则有：0
qE qB
=v
解得粒子的速度
E
v
B
=
（3）只有电场时，粒子做类平抛，有：
00
y
qE ma
R v
a
t
v t
=
=
=
解得：0
y
v v
=
所以粒子速度大小为：22
00
2
y
v v v v
=+=
粒子与x轴的距离为：20
1
22
R
H h at h
=+=+
（4）撤电场加上磁场后，有：
2
v
qBv m
R
=
解得：
2
R R
=
粒子运动轨迹如图所示：
圆心C位于与速度v方向垂直的直线上，该直线与x轴和y轴的夹角均为
4
π
，由几何关系得C点坐标为：
2
C
x R
=,
02
C
R
y H R h
=-=-
过C作x轴的垂线，在ΔCDM中：
2
CM R R
==
2
C R C
D y h
==-
解得：2
2
2
20074
DM CM CD R R h h =-=
+- M 点横坐标为：2
2000724
M x R R R h h =+
+-
4．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
11q m 和22q
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
2v d B 222U
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
π 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
5．如图为质谱仪的原理图。

电容器两极板的距离为d ，两板间电压为U ，极板间的匀强磁场的磁感应强度为B 1,方向垂直纸面向里。

一束带电量均为q 但质量不同的正粒子从图示方
向射入，沿直线穿过电容器后进入另一磁感应强度为B 2的匀强磁场，磁场B 2方向与纸面垂直，结果分别打在a 、b 两点，若打在a 、b 两点的粒子质量分别为1m 和2m .求：
(1)磁场B 2的方向垂直纸面向里还是向外? (2)带电粒子的速度是多少?
(3)打在a 、b 两点的距离差△x 为多大? 【答案】(1)垂直纸面向外 (2)1U
v B d = (3)12122()U m m x qB B d
-∆= 【解析】 【详解】
(1)带正电的粒子进入偏转磁场后，受洛伦兹力而做匀速圆周运动， 因洛伦兹力向左，由左手定则知，则磁场垂直纸面向外. (2)带正电的粒子直线穿过速度选择器，受力分析可知：
1U
qvB q
d
= 解得：1U v B d
=
(3)两粒子均由洛伦兹力提供向心力
2
2v qvB m R
=
可得：112m v R qB =
，222
m v
R qB = 两粒子打在底片上的长度为半圆的直径，则：
1222x R R ∆=-
联立解得：12122()
U m m x qB B d
-∆=
6．如图中左边有一对平行金属板，两板相距为d ，电压为U ，两板之间有匀强磁场，磁感应强度大小为B 0，方向与金属板面平行并垂直于纸面朝里。

图中右边有一半径为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 ，方向垂直于纸面朝里。

一正离子沿平行于金属板面、从A 点垂直于磁场的方向射入平行金属板之间，沿同一方向射出平行金属板之间的区域，并沿直径CD 方向射入磁场区域，最后从圆形区域边界上的F 点射出。

已知速度的偏向角为θ=90°，不计重力。

求：
(1)离子速度v 的大小； (2)离子的比荷q/m 。

【答案】0U
v B d =
；0q U m BB Rd
=
【解析】 【详解】
(1)离子在平行金属板之间做匀速直线运动：00B qv qE =
0U E d =
得：0U
v B d
=
(2)在圆形磁场区域，离子做匀速圆周运动，由牛顿第二定律得：2
v Bqv m r
=
由几何关系得：r=R
离子的比荷为：0q U m BB Rd
=
7．某粒子实验装置原理图如图所示，狭缝1S 、2S 、3S 在一条直线上，1S 、2S 之间存在电压为U 的电场，平行金属板1P 、2P 相距为d ，内部有相互垂直的匀强电场和匀强磁场，磁感应强度为1B 。

比荷为k 的带电粒子由静止开始经1S 、2S 之间电场加速后，恰能沿直线通过1P 、2P 板间区域，从狭缝3S 垂直某匀强磁场边界进入磁场，经磁场偏转后从距离
3S 为L 的A 点射出边界。

求：
（1）1P 、2P 两板间的电压； （2）偏转磁场的磁感应强度。

【答案】（1）12U B d kU ='（2）222U
B L k
=
【解析】 【分析】
（1）粒子先在电场中加速，然后匀速通过1P 、2P ，则根据平衡可求出1P 、2P 两板间的电压
（2）根据粒子的运动轨迹找到运动半径，借助于2
2v qvB m r
=可求出偏转磁场的磁感应强
度 【详解】
（1）设带电粒子质量为m ，所带电荷量为q ，已知
q
k m
= 粒子在电场中S 1与S 2之间加速，根据动能定理可得：2
102
qU mv =
-； 带电粒子在P 1和P 2间运动，根据电场力与洛伦兹力平衡可得：1U q qvB d
='
解得：12U B d kU ='；
（2）带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，根据洛伦兹力充当向心力：2
2v qvB m r
=；
已知2L r =，解得：222U
B L k
=
8．如图所示，在两个水平平行金属极板间存在着竖直向下的匀强电场和垂直于纸面向里的匀强磁场，电场强度和磁感应强度的大小分别为E=2×106N/C 和B 1=0.1T ，极板的长度
，间距足够大．在板的右侧还存在着另一圆形区域的匀强磁场，磁场的方向为垂直
于纸面向外，圆形区域的圆心O 位于平行金属极板的中线上，圆形区域的半径。

有一带正电的粒子以某速度沿极板的中线水平向右飞入极板后恰好做匀速直线运动，然后进入圆形磁场区域，飞出圆形磁场区域后速度方向偏转了60°，不计粒子的重力，粒子的比荷。

（1）求粒子沿极板的中线飞入的初速度v0；
（2）求圆形区域磁场的磁感应强度B2的大小；
（3）在其他条件都不变的情况下，将极板间的磁场B1撤去，为使粒子飞出极板后不能进入圆形区域的磁场，求圆形区域的圆心O离极板右边缘的水平距离d应满足的条件．
【答案】（1）v0=2×107m/s（2）B2=0.1T（3）m （或m ）
【解析】
【分析】
（1）抓住粒子做匀速直线运动，根据洛伦兹力和电场力平衡求出粒子的初速度．（2）粒子在磁场中做匀速圆周运动，根据几何关系求出粒子在磁场中运动的半径，结合半径公式求出磁感应强度的大小．（3）粒子在板间做类平抛运动，离开极板后做匀速直线运动，由类平抛运动知识与匀速运动规律可以求出d需要满足的条件．
【详解】
（1）粒子在极板间做匀速直线运动，有：，代入数据解得：
．
（2）设粒子的初速度大小为v，粒子在极板间匀速直线运动，则：
设粒子在圆形区域磁场中做圆周运动的半径为r，由牛顿第二定律得：
粒子运动轨迹如图所示，粒子速度方向偏转了60°，由数学知识可得：
解得：
（3）撤去磁场后粒子在极板间做平抛运动，设在板间运动时间为t，运动的加速度为a 飞出电场时竖直方向的速度为，速度的偏转角为，由牛顿第二定律得：qE=ma
水平方向：，竖直方向：，
解得：，即
设粒子飞出电场后速度恰好与圆形区域的边界相切时，圆心O离极板右边缘的水平距离为d，如图所示：
由几何关系得：，解得：
所以圆心O 离极板右边缘的水平距离d 应满足（或
）。

【点睛】
本题考查了带电粒子在电磁场中运动的相关问题，考查学生综合分析、解决物理问题能力．分析清楚粒子的运动过程，应用运动的合成与分解、平衡条件、牛顿运动定律、运动学公式即可正确解题．
9．如图所示，水平放置的两块带金属极板 a 、b 平行正对.极板长度为 l ,板间距为 d ,板间存在着方向坚直向下、场强大小为 E 的匀强电场和垂直于纸面向里的匀强磁场.假设电场、磁场只顾在于两板间.一质量为 m 、电荷量为 q 的粒子，以水平速度 v 0 从两极板的左端正中央沿垂直于电场、磁场的方向入极板间，恰好做做匀速直线运动.不计重力及空气阻力. （1）求匀强磁场感应强度 B 的大小；
（2）若撤去磁场，粒子能从极板间射出，求粒子穿过电场时沿电场方向移动的距离； （3）若撤去磁场，并使电场强度变为原来的2倍，粒子将打在下极板上，求粒子到达下极板时动能的大小.
【答案】（1）0E B v = （2）2202qEl mv （3）2
012
k E mv qEd =+ 【解析】 【分析】
（1）粒子恰好做匀速直线运动，可知电场力与洛仑兹力平衡，可求磁感应强度B ； （2）粒子做类平抛运动，由运动分解方法，求解粒子穿过电场时沿电场方向移动的距离； （3）用动能定理求解粒子到达下极板时动能． 【详解】
（1）带电粒子匀速通过场区时受到的电场力与洛仑兹力平衡，qE=qv 0B ，
解得磁感应强度大小B=0
E v ； （
2）撤掉磁场后，粒子做类平抛运动，通过电场区偏转的距离
222200
11()222qE l qEl y at m v mv ==⨯⨯= （3）设粒子运动到下极板时的动能大小为E K ，根据动能定理得： q×2E×
12d=E k -1
2
m v 02 解得E K =
1
2
mv 02+qEd 【点睛】
对粒子搞好受力分析，挖掘“恰好做匀速直线运动”的隐含条件，对于撤掉磁场后的粒子的类平抛运动，要能够熟练分析解决，为常考内容．
10．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
1v =
洛伦兹力充当向心力，则有
2
111
v qv B m r =
解得
1r =
(2)离子射出时加速器时
2
m
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
11．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 ，两盒间距很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计。

磁感应强度为B 0的匀强磁场与盒面垂直。

在下极板的圆心A 处粒子源产生的粒子，质量为m ､电荷量为+q ，在加速器中被加速，加速电压u 随时间的变化关系如图乙所示0
2m
T qB π=。

加速过程中不考虑相对论效应和变化电场对磁场分布的影响。

(1)粒子开始从静止被加速，估算该离子离开加速器时获得的动能E k ；
(2)调节交流电的电压，先后两次的电压比为1:2，则粒子在加速器中的运动时间之比为多少？
(3)带电粒子在磁场中做圆周运动的圆心并不是金属盒的圆心O ，而且在不断的变动。

设第一次加速后做圆周运动的圆心O 1到O 的距离为x 1,第二次加速后做圆周运动的圆心O 2到O 的距离为x 2，这二个距离平均值约为最后从加速器射出时圆周运动的圆心位置x ，求x 的值，并说明出口处为什么在A 的左边；
(4)实际使用中，磁感应强度B 会出现波动，若在t =4
T
时粒子第一次被加速，要实现连续n 次加速，求B 可波动的最大范围。

【答案】(1)2
0()2qB R m
；(2)2:1；(3)021mU B q A 点的
左边，最后一次圆周运动与左边相切，所以出口在A 点的左边；
(4)
0021212123n n B B B n n --≤≤--（）（）
，n =2、3…… 【解析】 【分析】
根据回旋加速器原理，粒子在电场中加速，在磁场中偏转，根据轨道半径与运动周期可求运动动能及运动时间，若磁场出现波动，求出磁感强度的最大值和最小值，从而确定磁感强度的范围。

【详解】
（1）圆周运动的最大半径约为R
2
0v qvB m R
=
离子离开加速器时获得的动能
2
20()122k qB R E mv m
==
（2）设加速n 次
2
00()2qB R nqU m
=
22002qB R n mU =
2
00
22B R T t n U π==
运动时间之比
02120121
U t t U == （3）设第一、二次圆周运动的半径为r 1和r 2
2011
2
qU mv =
110mv r qB =
=202122
qU mv =
220mv r qB =
== 11x r =
21212(2x r r r =-=
可得
121322x x x r +=
== 第一次圆周运动的圆心在A 点的左边，最后一次圆周运动与左边相切，所以出口在A 点的左边。

（4）设磁感应强度偏小时为B 1，圆周运动的周期为T 1
1(1)224
T T T n --=)(
12-1
2(-1)n T T n =
解得
102(1)
21
n B B n -=
- 设磁感应强度偏大时为B 2，圆周运动的周期为T 2
2(1)()22
4
T T T n --=
223
2(1)n T T n -=
-
解得
202(123
n B B n -=
-)
因此
002(1)2(1)
2123
n n B B B n n --≤≤--，n =2、3……
12．我们熟知经典回旋加速器如图（甲）所示，带电粒子从M 处经狭缝中的高频交流电压加速，进入与盒面垂直的匀强磁场的两个D 形盒中做圆周运动，循环往复不断被加速，最终离开加速器。

另一种同步加速器，基本原理可以简化为如图（乙）所示模型，带电粒子从M 板进入高压缝隙被加速，离开N 板时，两板的电荷量均立即变为零，离开N 板后，在匀强磁场的导引控制下回旋反复通过加速电场区不断加速，但带电粒子的旋转半径始终保持不变。

已知带电粒子A 的电荷量为+q ，质量为m ，带电粒子第一次进入磁场区时，两种加速器的磁场均为B 0，加速时狭缝间电压大小都恒为U ，设带电粒子最初进入狭缝时的初速度为零，不计粒子受到的重力，不计粒子加速时间及其做圆周运动产生的电磁辐射，不考虑磁场变化对粒子速度的影响及相对论效应。

（1）求带电粒子A 每次经过两种加速器加速场时，动能的增量；
（2）经典回旋加速器与同步加速器在装置上的类似性，源于它们在原理上的类似性。

ａ．经典回旋加速器，带电粒子在不断被加速后，其在磁场中的旋转半径也会不断增加，求加速n 次后r n 的大小；
ｂ．同步加速器因其旋转半径R 始终保持不变，因此磁场必须周期性递增，请推导B n 的表达式；
（3）请你猜想一下，若带电粒子A 与另一种带电粒子B （质量也为m ，电荷量为+kq ，k 为大于1的整数）一起进入两种加速器，请分别说明两种粒子能否同时被加速，如果不能请说明原因，如果能，请推导说明理由。

【答案】（1）k E qU =△；（2）a.0
1
2n nUq
R B m
=0n B nB =;（3）见解析 【解析】 【分析】
【详解】
（1）粒子仅在狭缝间由电场加速，绕行过程中仅受洛伦兹力作用，洛伦兹力不会对粒子做功，根据动能定理： 每次动能的增量为：
K E qU =V
（2）a ．在D 形盒中洛伦兹力作向心力，磁感应强度不需要改变，当第n 次穿过MN 两板间开始作第n 圈绕行时
20n
n n
v qv B m R =
第n 圈的半径
n R =
ｂ．同步加速器因其旋转半径始终保持不变，因此磁场必须周期性递增，洛伦兹力作向心力
212nqU mv = ， 2000v qv B m R = ， 2
n
n n v qv B m R
=
所以第n 圈绕行的磁感应强度为：
0n B =
（3）经典回旋加速器不能做到回旋加速，同步加速器仍然能做到回旋加速。

经典回旋加速器，交变电压的周期与带电粒子回旋周期相同，加速A 粒子的交变电压的周期为
02m
T B q
π=
而若要加速回旋加速粒子B ，交变电压周期应为
02m
T kB q
π=
＇ 因此当B 粒子到达加速电场缝隙时，电压方向并没有反向，因此无法同时加速。

同步加速器A 粒子的磁场变化周期
2n n
m
T qB π=
B 粒子的旋转周期
2n
n T m T kqB k
π=
=＇ n T 是T ' 的k 倍，所以A 每绕行1周，B 就绕行k 周。

由于电场只在A 通过时存在，故
B 仅在与A 同时进入电场时才被加速。

13．回旋加速器是利用磁场和电场共同作用对带电粒子进行加速的仪器。

现在有一个研究小组对回旋加速器进行研究。

研究小组成员分工合作，测量了真空中的D 形盒的半径为R ，磁感应强度方向垂直加速器向里，大小为B 1，要加速粒子的电荷量为q ，质量为m ，电
场的电压大小为U 。

帮助小组成员完成下列计算： （1）本回旋加速器能将电荷加速到的最大速度是？ （2）求要达到最大速度，粒子要经过多少次电场加速？
（3）研究小组成员根据磁场中电荷偏转的规律设计了如图乙的引出装置。

在原有回旋加速器外面加装一个圆环，在这个圆环区内加垂直加速器向里的磁场B 2，让带电粒子在加速器边缘恰好能偏转至圆环区域外边缘加以引导。

求圆环区域所加磁场的磁感应强度B 2？
【答案】(1) 1m qB R v m =;（2）22
12qB R n Um
=;(3) 1222B R B R d =+
【解析】 【详解】
（1）粒子在磁场中运动时满足：
2
1v qvB m r
=
当被加速的速度达到最大时满足：
r=R
则解得
1m qB R
v m
=
（2）粒子在电场中被加速，每次经过电场时得到的能量为Uq ，则：
2
12
m nUq mv =
解得
22
12qB R n Um
=
（3）由左手定则可知，粒子带负电；要想使得带电粒子在加速器边缘恰好能偏转至圆环区域外边缘，则粒子运动的轨道半径
11
22
r R d =+（） ；
由
2
21
m m v qv B m r =
解得
1
2
2
2
B R
B
R d
=
+
14．回旋加速器是现代高能物理研究中用来加速带电粒子的常用装置．图1为回旋加速器原理示意图，置于高真空中的两个半径为R的D形金属盒，盒内存在与盒面垂直磁感应强度为B的匀强磁场．两盒间的距离很小，带电粒子穿过的时间极短可以忽略不计．位于D 形盒中心A处的粒子源能产生质量为m、电荷量为q的带正电粒子，粒子的初速度可以忽略．粒子通过两盒间被加速，经狭缝进入盒内磁场．两盒间的加速电压按图2所示的余弦规律变化，其最大值为U0．加速过程中不考虑相对论效应和重力作用．已知t0=0时刻产生的粒子每次通过狭缝时都能被最大电压加速．求
(1)两盒间所加交变电压的最大周期T0；
(2)t0=0时刻产生的粒子第1次和第2次经过两D形盒间狭缝后的轨道半径之比；
(3)0
112
T
t=与0
26
T
t=时刻产生的粒子到达出口处的时间差．
【答案】（1）
2m
qB
π
（222（3）
2
33
6
m BR
qB
ππ
-
【解析】
（1）设粒子在某次被加速后的速度为v，则它在匀强磁场中做半径为r的圆周运动时：
2
qvB m
r
v
=，运动周期为
2r
T
v
π
=，即：
2m
T
qB
π
=
要保证
t=时刻产生的粒子每次通过狭缝是都能被最大电压加速，粒子做圆周运动的周期必须与加速电压的最大周期相同，所以：0
2m
T
qB
π
=
（2）设
t=时刻两盒间的电压为0U，此时刻产生的粒子第1次经过狭缝后的速度为1
v，半径为1r
2
01
1
2
qU mv
=
2
1
1
1
v
qv B m
r
=解得：0
1
2
1mU
r
B q
=
粒子在磁场中运动0
2
T
后第2次经过狭缝，此时两盒间的电压为0
U
-，粒子再次加速
联立可以得到，加速后的半径为：02221m U r B q ⋅=，所以：12:2:2r r = （3
）设粒子到达出口时的速度为m v ，则：2m m v qv B m R
= 即所有从出口飞出的粒子，速度大小都相等，而每个粒子在磁场中运动的每一个周期时间内，被相同的电压加速两次．设某个粒子被加速时的电压为U ，它总共被加速了n 次，则：212
m nqU mv = 整理可以得到：22
2qB R n mU
= 该粒子在磁场中运动的总时间0024
T T t n =⋅- 0112T t =与06
T 时刻产生的粒子被加速时的电压分别为： 0100
2cos 12T U U T π⎛⎫=⋅ ⎪⎝⎭和02002cos 6T U U T π⎛⎫=⋅ ⎪⎝⎭ 即103U U =，2012U U = 所以，0112T t =
与026T t =时刻产生的粒子到达出口处的时间差为： ()000216122T T T t n n ⎛⎫∆=-+- ⎪⎝⎭
，即：2
0336m BR t qB ππ-∆=+． 点睛：此题难度较大，解本题的关键是知道回旋加速器的工作原理；灵活应用洛伦兹力提供向心力求解，还要注意计算过程的计算量．
15．如图回旋加速器D 形盒的半径为r ，匀强磁场的磁感应强度为
一个质量了m 、电荷
量为q 的粒子在加速器的中央从速度为零开始加速．
求该回旋加速器所加交变电场的频率；
求粒子离开回旋加速器时获得的动能；
设两D 形盒间的加速电压为U ，质子每次经电场加速后能量增加，加速到上述能量所需时间不计在电场中的加速时间．。