高中物理速度选择器和回旋加速器解题技巧及练习题及解析

高中物理速度选择器和回旋加速器解题技巧及练习题及解析

一、速度选择器和回旋加速器

1．如图所示，虚线O 1O 2是速度选择器的中线，其间匀强磁场的磁感应强度为B 1，匀强电场的场强为E （电场线没有画出）。照相底片与虚线O 1O 2垂直，其右侧偏转磁场的磁感应强度为B 2。现有一个离子沿着虚线O 1O 2向右做匀速运动，穿过照相底片的小孔后在偏转磁场中做半径为R 的匀速圆周运动，最后垂直打在照相底片上（不计离子所受重力）。 (1)求该离子沿虚线运动的速度大小v ； (2)

求该离子的比荷

q m

； (3)如果带电量都为q 的两种同位素离子，沿着虚线O 1O 2射入速度选择器，它们在照相底片的落点间距大小为d ，求这两种同位素离子的质量差△m 。

【答案】(1)1E v B =；(2)12q E m RB B =；(3)122B B qd m E

?=

【解析】 【分析】 【详解】

(1)离子沿虚线做匀速直线运动，合力为0

Eq =B 1qv

解得

1

E

v B =

(2)在偏转磁场中做半径为R 的匀速圆周运动，所以

2

2mv B qv R

= 解得

12

q E m RB B = (3)设质量较小的离子质量为m 1，半径R 1；质量较大的离子质量为m 2，半径为R 2 根据题意

R 2=R 1+

2

d 它们带电量相同，进入底片时速度都为v ，得

2

121

m

v B qv R =

2

222

m v B qv R =

联立得

22121()B q

m m m R R v

?=-=

- 化简得

122B B qd

m E

?=

2．边长L ＝0.20ｍ的正方形区域内存在匀强磁场和匀强电场，其电场强度为E ＝

1×104

V/m ，磁感强度B ＝0.05T ，磁场方向垂直纸面向里，当一束质荷比为m

q

＝5×10-8kg/C

的正离子流，以一定的速度从电磁场的正方形区域的边界中点射入，离子流穿过电磁场区域而不发生偏转，如右图所示，不计正离子的重力，求： （1）电场强度的方向和离子流的速度大小

（2）在离电磁场区域右边界D=0.4m 处有与边界平行的平直荧光屏．若撤去电场，离子流击中屏上a 点；若撤去磁场，离子流击中屏上b 点，则ab 间的距离是多少？．

【答案】（1）竖直向下；52s 10m /?（2）1.34m 【解析】 【详解】

（1）正离子经过正交场时竖直方向平衡，因洛伦兹力向上，可知电场力向下，则电场方向竖直向下； 由受力平衡得

qE qvB =

离子流的速度

5210m /s E

v B

=

=? （2）撤去电场，离子在磁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

=

故

0.2m mv

r qB

=

= 离子离开磁场后做匀速直线运动，作出离子的运动轨迹如图一所示

图一

由几何关系可得，圆心角60θ

=?

1sin (0.60.13)m x L D R θ=+-=- 11tan (0.630.3)m=0.74m y x θ==-

若撤去磁场，离子在电场中做类平抛运动，离开电场后做匀速直线运动，运动轨迹如图二所示

图二

通过电场的时间

6110L

t s v

-=

=? 加速度

11210m /s qE

a m

=

=?

在电场中的偏移量

2

10.1m

2

y at =

= 粒子恰好从电场右下角穿出电场，则

tan 1y x

v v α=

=

由几何关系得

20.4m y =

a 和

b 的距离

()

120.63-0.30.40.2m ab y y y L =++=++=1.34m

3．如图所示为质谱仪的原理图，A 为粒子加速器，电压为1U ，B 为速度选择器，其内部匀强磁场与电场正交，磁感应强度为1B ，左右两板间距离为d ，C 为偏转分离器，内部匀强磁场的磁感应强度为2B ，今有一质量为m ，电量为q 且初速为0的带电粒子经加速器A 加速后，沿图示路径通过速度选择器B ，再进入分离器C 中的匀强磁场做匀速圆周运动，不计带电粒子的重力，试分析： （1）粒子带何种电荷；

（2）粒子经加速器A 加速后所获得的速度v ； （3）速度选择器的电压2U ；

（4）粒子在C 区域中做匀速圆周运动的半径R 。

【答案】（1）带正电；（2）12qU v m =

；（3）1

212qU U B m

=（4）1

2

21

mU r B q

=

【解析】 【分析】

（1）根据电荷在磁场中的偏转方向即可判断电荷的正负； （2）根据动能定理求解速度 （3）根据平衡求解磁场强度

（4）根据2

v qvB m r

=求解运动轨道半径；

【详解】

（

1）根据电荷在磁场中的运动方向及偏转方向可知该粒子带正电； （2）粒子经加速电场U 1加速，获得速度v ，由动能定理得：

2112

qU mv =

解得：1

2qU v m

=

⑵在速度选择器中作匀速直线运动，电场力与洛仑兹力平衡得2

1U q qvB d

= 解得：211

12U B dv B d

qU m

== ⑶在B 2中作圆周运动，洛仑兹力提供向心力，2

v qvB m r

=

解得：1

22

21

mU mv r B q B q

=

= 故本题答案是：（1）带正电；（2）12qU v m =

；（3）1

212qU U B d

m

= （4）1

2

21

mU r B q

=

4．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

232qUL 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.

5．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．

6．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．

7．劳伦斯和利文斯设计出回旋加速器，工作原理示意图如图所示。置于真空中的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忽略。磁感应强度为B 的匀强磁场与盒面垂直，高频交流电频率为f ，加速电压为U 。若A 处粒子源产生的质子的质量为m 、电荷量为＋q ，在加速器中被加速，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响。则下列说法正确的是( )

A ．质子被加速后的最大速度不可能超过2πRf

B ．质子离开回旋加速器时的最大动能与加速电压U 成正比

C ．质子第2次和第1次经过两

D 2∶1 D ．不改变磁感应强度B 和交流电频率f ，该回旋加速器也能用于a 粒子加速 【答案】AC 【解析】 【详解】

A ．质子出回旋加速器的速度最大，此时的半径为R ，则：

22R

v R Rf T

πωπ==

= 所以最大速度不超过2πfR 。故A 正确。

B ．根据洛伦兹力提供向心力：2

v qvB m R

=，解得：

mv R qB

=

最大动能：222

2122Km

q B R E mv m

==

，与加速的电压无关。故B 错误。 C ．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，根据2v ax =，可得质

子第2次和第1次经过D 形盒狭缝的速度比为2:1，根据mv

R qB

=

，可得半径比为2:1。故C 正确。

D ．回旋加速器交流电的频率与粒子转动频率相等，即为2qB

f m

π=，可知比荷不同的粒子频率不同，不改变磁感应强度B 和交流电频率f ，有可能起不到加速作用。故D 错误。

故选AC 。

8．回旋加速器是用来加速一群带电粒子使它们获得很大动能的仪器，其核心部分是两个D 形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接，以便在盒内的狭缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过狭缝时都得到加速，两盒放在磁感应强度为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电荷量为q ，质量为m ，粒子最大回旋半径为R ．忽略粒子在电场中运动的时间．求： （1）所加交变电流的频率f ； （2）粒子离开加速器时的最大速度v ；

（3）若加速的电压为U ，求粒子达到最大速度被加速的次数n ．

【答案】（1）2qB m π（2）qBR m （3）22

2qB R n mU

=

【解析】 【详解】

（1）粒子在电场中运动时间极短，因此高频交变电流频率要等于粒子回旋频率，因为

2m

T qB

π=

， 回旋频率

12qB f T m

π=

=； （2）由牛顿第二定律

2

mv qvB

R

=，

解得

qBR

v

m

=；

（3）获得的能量来源于电场的加速，故：

2

1

2

nqU mv

=-，

解得

22

2

qB R

n

mU

=；

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U0，周期为0

2π

=

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

2

B R

t

U

π

= (2) n为偶数时

00

22

2

(12341)

U m U m

n

n n

B q B q

-

L，n为奇数时，00

22

2

(123421)

U m U m

n

n n

B q B q

+--

L L(3)

00

22

2121

'

+-

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(12341)=

+-+-++--L n nmv mv x n n Bq

00222(12341)=

+-+-++--L U m U m

n n n B

q B q

n 为奇数时

11

2(123421)σ=

+-+-++---L L n rmv m x n n Bq Bq

00222(123421)=+-+-++---L L U m U m

n n n B

q B q

（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

2n

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

m 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

1222B R

B R d

=

+

11．1932年，劳伦斯和利文斯设计出了回旋加速器．回旋加速器的工作原理如图所示，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．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，加速电压为U ．加速过程中不考虑相对论效应和重力作用．

（1）求粒子第2次和第1次经过两D 形盒间狭缝后轨道半径之比； （2）求粒子从静止开始加速到出口处所需的时间t ；

（3）实际使用中，磁感应强度和加速电场频率都有最大值的限制．若某一加速器磁感应强度和加速电场频率的最大值分别为B m 、f m ，试讨论粒子能获得的最大动能E ㎞． 【答案】（12（2）

2

2BR U

π（3）当Bm

m f f ≤时，E Km =2222m q B R

m

；当Bm m f f ≥时，

E Km =222

2m mf R π

【解析】

【分析】

（1）狭缝中加速时根据动能定理，可求出加速后的速度，然后根据洛伦兹力提供向心力，推出半径表达式；

（2）假设粒子运动n圈后到达出口，则加速了2n次，整体运用动能定理，再与洛伦兹力提供向心力，粒子运动的固有周期公式联立求解；

（3）B m对应粒子在磁场中运动可提供的最大频率，f m对应加速电场可提供的最大频率，选两者较小者，作为其共同频率，然后求此频率下的最大动能．

【详解】

（1）设粒子第1次经过狭缝后的半径为r1，速度为v1

qU=mv12

qv1B=m

解得

同理，粒子第2次经过狭缝后的半径

则．

（2）设粒子到出口处被加速了n圈

解得．

（3）加速电场的频率应等于粒子在磁场中做圆周运动的频率，即

当磁场感应强度为B m时，加速电场的频率应为

粒子的动能

当f Bm≤f m时，粒子的最大动能由B m决定

解得

当f Bm≥f m时，粒子的最大动能由f m决定v m=2πf m R解得

【点睛】

此题是带电粒子在复合场中运动与动能定理的灵活应用，本题每一问都比较新颖，需要学生反复琢磨解答过程．

12．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U 0．加速过程中不考虑相对论效应和重力作用．已知t 0=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T 0；

(2)t 0=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)0112T t =

与026

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

336m 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00t =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：02m

T qB

π=

（2）设00t =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

20112qU mv = 2111v qv B m r = 解得：0

121

mU r B

q

=

粒子在磁场中运动

2

T 后第2次经过狭缝，此时两盒间的电压为0U -，粒子再次加速

联立可以得到，加速后的半径为：0

2221m 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00

24

T T t n =?

- 0112T t =

与0

6

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0

2002cos 6

T U U T π??=? ??? 即103

U U =

，2012U U =

所以，0112T t =

与026

T

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．

13．质谱仪是一种研究带电粒子的重要工具，它的构造原理如图所示．粒子源S 产生的带正电的粒子首先经M 、N 两带电金属板间的匀强电场加速，然后沿直线从缝隙O 垂直于磁场方向进入磁感应强度为B 的匀强磁场，在磁场中经过半个圆周打在照相底片上的P 点．已知M 、N 两板问的距离为d ，电场强度为E ．设带正电的粒子进入电场时的速度、所受重力及粒子间的相互作用均可忽略．

（1）若粒子源产生的带正电的粒子质量为m 、电荷量为q ，求这些带电粒子离开电场时的速度大小；

（2）若粒子源产生的带正电的粒子质量为m、电荷量为q，其打在照相底片上的P点与缝隙O的距离为y，请推导y与m的关系式；

（3）若粒子源S产生的带正电的粒子电荷量相同而质量不同，这些带电粒子经过电场加速和磁场偏转后，将打在照相底片上的不同点．现要使这些点的间距尽量大一些，请写出至少两项可行的措施．

【答案】（1）若粒子源产生的带正电的粒子质量为m、电荷量为q，这些带电粒子离开电场时的速度大小为；

（2）若粒子源产生的带正电的粒子质量为m、电荷量为q，其打在照相底片上的P点与缝隙O的距离为y，y与m的关系式为；

（3）若粒子源S产生的带正电的粒子电荷量相同而质量不同，这些带电粒子经过电场加速和磁场偏转后，将打在照相底片上的不同点．现要使这些点的间距尽量大一些，请写出至少两项可行的措施①增加电场强度，保持其它条件不变②减小磁感应强度，保持其它条件不变．

【解析】解：（1）设带电粒子离开电场时的速度大小为v，根据动能定理

解得

（2）设带电粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为R，根据牛顿第二定律

由几何关系可知 y=2R

解得

（3）可行的措施：

①增加电场强度，保持其它条件不变

②减小磁感应强度，保持其它条件不变

答：（1）若粒子源产生的带正电的粒子质量为m、电荷量为q，这些带电粒子离开电场时的速度大小为；

（2）若粒子源产生的带正电的粒子质量为m、电荷量为q，其打在照相底片上的P点与缝隙O的距离为y，y与m的关系式为；

（3）若粒子源S产生的带正电的粒子电荷量相同而质量不同，这些带电粒子经过电场加速和磁场偏转后，将打在照相底片上的不同点．现要使这些点的间距尽量大一些，请写出至少两项可行的措施①增加电场强度，保持其它条件不变②减小磁感应强度，保持其它条件不变．

【点评】考查粒子在加速电场中做加速运动，在磁场中做匀速圆周运动，学会对粒子受力

分析，理解洛伦兹力提供向心力的条件与应用，掌握牛顿第二定律与几何关系综合应用．

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：

（1）交流电源的周期T=？

（2）当粒子在D形盒中圆周运动半径为R时，通过特定装置将粒子导出，求将粒子导出前粒子被加速的次数n=?

【答案】（1）（2）

【解析】试题分析：粒子先在电场中加速，然后进入磁场，做匀速圆周运动，半圆周后，粒子再次进入电场，此时电源交换电极，粒子继续加速。粒子在磁场中运动周期与电场变化周期相同，则粒子可一直加速；当半径最大时，获得的速度最大，根据洛伦兹力提供向心力求出粒子离开加速器时的动能；粒子被电场加速一次动能的增加qU，根据最大动能求出加速的次数。

（1）圆周运动周期等于交流电周期才可获得持续加速,设圆周运动半径为r、周期为T：

，解得

（2）粒子圆周运动：

粒子被加速：

解得：

【点睛】此题重在理解回旋加速器原理，加速电场半个周期改变一次反响，与磁场周期相同，保证粒子在电场中一直加速，在磁场中旋转．进行计算时，把握好在电场和磁场中运动时间的关系。

15．如图所示，以两虚线为边界，中间存在平行纸面且与边界垂直的水平电场，宽度为

、重力不计的d，两侧为相同的匀强磁场，方向垂直纸面向里．一质量为m、带电量q

带电粒子，以初速度1v垂直边界射入磁场做匀速圆周运动，后进入电场做匀加速运动，然后第二次进入磁场中运动，此后粒子在电场和磁场中交替运动．已知粒子第二次在磁场中