最新 物理速度选择器和回旋加速器专题练习(及答案)

最新 物理速度选择器和回旋加速器专题练习(及答案)

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：

3x 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

3

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，半径为R 的圆与正方形abcd 相内切，在ab 、dc 边放置两带电平行金属板，在板间形成匀强电场，且在圆内有垂直纸面向里的匀强磁场．一质量为m 、带电荷量为+q 的粒子从ad 边中点O 1沿O 1O 方向以速度v 0射入，恰沿直线通过圆形磁场区域，并从bc 边中点O 2飞出．若撤去磁场而保留电场，粒子仍从O 1点以相同速度射入，则粒子恰好打到某极板边缘．不计粒子重力．

（1）求两极板间电压U 的大小

（2）若撤去电场而保留磁场，粒子从O 1点以不同速度射入，要使粒子能打到极板上，求粒子入射速度的范围．

【答案】（1）20mv q （2）002121

22

v v v -+≤≤ 【解析】

试题分析：（1）由粒子的电性和偏转方向，确定电场强度的方向，从而就确定了两板电势的高低；再根据类平抛运动的规律求出两板间的电压．（2）先根据有两种场均存在时做直线运动的过程，求出磁感应强度的大小，当撤去电场后，粒子做匀速圆周运动，要使粒子打到板上，由几何关系求出最大半径和最小半径，从而由洛仑兹力提供向心力就能得出最大的速度和最小速度．

（1）无磁场时，粒子在电场中做类平抛运动，根据类平抛运动的规律有：

212

R at =

，02R v t =，2qU

a Rm =

解得：2

mv U q

=

（2）由于粒子开始时在电磁场中沿直线通过，则有：02U qv B q R

= 撤去电场保留磁场粒子将向上偏转，若打到a 点，如图甲图：

由几何关系有：2r r R +=

由洛伦兹力提供向心力有：2

11v qv B m r

=

解得：1021

v v -=

若打到b 点，如图乙所示：

由几何关系有：2r R R '-=

由洛伦兹力提供向心力有：22

2v qv B m r ='

解得：2021

v v += 故

01021

21

2

2

v v v v -+≤≤=

3．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

4．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 ； （2qEL

m

3）54qBL m 或4qBL m

【解析】 【分析】 【详解】

（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：

2qEL

v m

=

（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

＝

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．如图所示为一速度选择器，也称为滤速器的原理图．K 为电子枪，由枪中沿KA 方向射出的电子，速度大小不一．当电子通过方向互相垂直的均匀电场和磁场后，只有一定速率的电子能沿直线前进，并通过小孔S ．设产生匀强电场的平行板间的电压为300 V ，间距为5 cm ，垂直纸面的匀强磁场的磁感应强度为0．06 T ，问：

（1）磁场的方向应该垂直纸面向里还是垂直纸面向外？ （2）速度为多大的电子才能通过小孔S?

【答案】（1）磁场方向垂直纸面向里（2）1×105m/s 【解析】 【分析】 【详解】

（1）由题图可知，平行板产生的电场强度E 方向向下．带负电的电子受到的静电力F E ＝eE ，方向向上．若没有磁场，电子束将向上偏转，为了使电子能够穿过小孔S ，所加的磁场施于电子束的洛伦兹力必须是向下的，根据左手定则分析得出，B 的方向垂直于纸面向

里．

（2）能够通过小孔的电子，其速率满足evB＝eE

解得：v＝E B

又因为E＝U d

所以v＝U

Bd

＝1×105m/s

即只有速率为1×105m/s的电子才可以通过小孔S

7．实验中经常利用电磁场来改变带电粒子运动的轨迹．如图所示，氕、氘、氚三种粒子同时沿直线在纸面内通过电场强度为E、磁感应强度为B的复合场区域．进入时氕与氘、氘与氚的间距均为d，射出复合场后进入y轴与MN之间（其夹角为θ）垂直于纸面向外的匀强磁场区域Ⅰ，然后均垂直于边界MN射出．虚线MN与PQ间为真空区域Ⅱ且PQ与MN

平行．已知质子比荷为q

m

，不计重力．

（1）求粒子做直线运动时的速度大小v；

（2）求区域Ⅰ内磁场的磁感应强度B1；

（3）若虚线PQ右侧还存在一垂直于纸面的匀强磁场区域Ⅲ，经该磁场作用后三种粒子均能汇聚于MN上的一点，求该磁场的最小面积S和同时进入复合场的氕、氚运动到汇聚点的时间差△t．

【答案】（1）E

B

（2）

mE

qdB

（3）

(2)Bd

E

πθ

+

【解析】

【分析】

由电场力与洛伦兹力平衡即可求出速度；由洛伦兹力提供向心力结合几何关系即可求得区域Ⅰ内磁场的磁感应强度B1；分析可得氚粒子圆周运动直径为3r，求出磁场最小面积，在结合周期公式即可求得时间差．

【详解】

（1）粒子运动轨迹如图所示:

由电场力与洛伦兹力平衡，有：Bqv ＝Eq 解得：E v B

=

（2）由洛伦兹力提供向心力，有：2

1v qB v m r

=

由几何关系得：r ＝d

解得：1mE

B qdB

=

（3）分析可得氚粒子圆周运动直径为3r ，磁场最小面积为：2

2

13222r r S π????

=- ? ?????

解得：S ＝πd 2 由题意得：B 2＝2B 1

由2r

T v

π= 可得：2m T qB π=

由轨迹可知：△t 1＝（3T 1﹣T 1）2θ

π

， 其中11

2m

T qB π= △t 2＝

1

2（3T 2﹣T 2）其中22

2m T qB π=

解得：△t ＝△t 1+△t 2＝()()1

22m dB

qB E

θπθπ++=

【点睛】

本题考查带电粒子在电磁场中的运动，分析清楚粒子运动过程是解题的关键，注意在磁场中的运动要注意几何关系的应用．

8．如图所示，在直角坐标系xOy 平面内，以O 点为圆心，作一个半径为R 的园形区域，A 、B 两点为x 轴与圆形区域边界的交点，C 、D 两点连线与x 轴垂直，并过线段OB 中点；将一质量为m 、电荷量为q(不计重力)的带正电的粒子，从A 点沿x 轴正方向以速度v 0射入圆形区域．

（1）当圆形区域内只存在平行于y 轴方向的电场时，带电粒子恰从C 点射出圆形区域，求此电场的电场强度大小和方向；

（2）当圆形区域内只存在垂直于区域平面的磁场时，带电粒子怡从D 点射出圆形区域，求此磁场的磁感应强度大小和方向；

（3）若圆形区域内同时存在(1)中的电场和(2)中的磁场时，为使带电粒子恰能沿直线从B 点射出圆形区域，其入射速度应变为多少?

【答案】(1)2

43mv E =

方向沿y 轴正方向 (2)0

33mv B qR

= 方向垂直坐标平面向外 (3)043v v =

【解析】 【分析】

（1）只存在电场时，粒子在电场中做类平抛运动，根据水平和竖直方向的运动列方程求解电场强度；（2）区域只存在磁场时，做匀速圆周运动，由几何关系求解半径，再根据洛伦兹力等于向心力求解磁感应强度；（3）若电场和磁场并存，粒子做直线运动，电场力等于洛伦兹力，列式求解速度. 【详解】

（1）由A 到C 做类平抛运动：

03

2

R v t =； 231

2at qE ma =

解得3

439mv E qR

=

方向沿y 轴正方向； （2）

从A 到D 匀速圆周运动，则0

tan30R

r

=

，3r R =

20

0v qv B m r

= 0mv r qB =

解得0

33mv B qR

=

方向垂直坐标平面向外． （3）从A 到B 匀速直线运动，qE=qvB 解得E v B

= 即043v v =

【点睛】

此题是带电粒子在电场中的偏转，在磁场中的匀速圆周运动以及在正交场中的直线运动问题；粒子在电场中做类平抛运动，从水平和竖直两个方向列式；在磁场中做匀速圆周运动，先找半径和圆心，在求磁感应强度；在正交场中的直线运动时列平衡方程求解.

9．如图所示，两竖直金属板间电压为U 1，两水平金属板的间距为d .竖直金属板a 上有一质量为m 、电荷量为q 的微粒(重力不计)从静止经电场加速后，从另一竖直金属板上的小孔水平进入两水平金属板间并继续沿直线运动．水平金属板内的匀强磁场及其右侧宽度一定、高度足够高的匀强磁场方向都垂直纸面向里，磁感应强度大小均为B ，求：

(1)微粒刚进入水平金属板间时的速度大小v 0； (2)两水平金属板间的电压；

(3)为使微粒不从磁场右边界射出，右侧磁场的最小宽度D . 【答案】(1)1

02qU v m =12qU U m = (3)12qU m D Bq m

=【解析】 【分析】

（1）粒子在电场中加速，根据动能定理可求得微粒进入平行金属板间的速度大小； （2）根据粒子在平行板间做直线运动可知，电场力与洛伦兹力大小相等，列式可求得电压大小；

（3）粒子在磁场中做匀速圆周运动，根据几何关系可知半径与D 之间的关系，再由洛伦兹充当向心力可求得最小宽度． 【详解】

(1)在加速电场中，由动能定理，得 qU 1＝

1

2

mv 02，

解得v0

(2)在水平金属板间时，微粒做直线运动，则

Bqv0＝q U

d

，

解得U＝

(3)若微粒进入磁场偏转后恰与右边界相切，此时对应宽度为D，则

Bqv0＝m

2

v

r

且r＝D，

解得D

【点睛】

题考查带电粒子在电场和磁场中的运动，要注意明确带电粒子在磁场中运动时注意几何关系的应用，明确向心力公式的应用；而带电粒子在电场中的运动要注意根据功能关系以及运动的合成和分解规律求解．

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D1和D2，磁感应强度为B，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D1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动能E k m；

②若粒子第1次进入D1盒在其中的轨道半径为r1，粒子第2次进入D1盒在其中的轨道半径为r2，求r1与r2之比；

③求粒子在电场中加速的总时间t1与粒子在D形盒中回旋的总时间t2的比值，并由此分析：计算粒子在回旋加速器中运动的时间时，t1与t2哪个可以忽略？（假设粒子在电场中的加速次数等于在磁场中回旋半周的次数）；

(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）①222

2q B R m

3；③2d R π， t 1可以忽略；（2）见解析

【解析】 【分析】 【详解】

（1）①粒子离开回旋加速器前，做的还是圆周运动，由洛仑兹力提供向心力，根据牛顿第二定律可得

2

m v qv B m R =

212

km m E mv =

解得

222

2km

B R E q m

=

②设带电粒子在两盒间加速的次数为N ，在磁场中有

2

v qvB m r

=

在电场中有

212

NqU mv =

第一次进入D 1盒中N=1，第二次进入D 1盒中N=3，可得

123

r r = ③带电粒子在电场中的加速度为

qE qU

a m md =

= 所以带电粒子在电场中的加速总时间为

1m v BdR t a U

=

= 设粒子在磁场中回旋的圈数为n ，由动能定理得

2

122

m nqU

mv =

带电粒子回旋一圈的时间为

2πm

T qB

=

所以带电粒子在磁场中回旋的总时间为

2

2π2BR t nT U

== 122πt d t R

= 已知R d ＞＞可知12t t <<，所以1t 可以忽略。 （2）带电粒子在磁场中做匀速圆周运动周期为

2πm

T qB

=

对一定的带电粒子和一定的磁场来说，这个周期是不变的。如果在两盒间加一个同样周期的交变电场，就可以保证粒子每次经过电场时都能被加速，当粒子的速度足够大时，由于相对论效应，粒子的质量随速度的增加而增大，质量的增加会导致粒子在磁场中的回旋周期变大，从而破坏了与电场变化周期的同步，导致无法继续加速。

11．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

1222B R

B R d

=

+

12．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初速度可忽略不计，质量为m 、电荷量为+q ，每次在两D 形盒中间被加速时加速电压均为U ，加速过程中不考虑相对论效应和重力作用。求：

(1)粒子第4次加速后的运动半径与第5次加速后的运动半径之比； (2)粒子在回旋加速器中获得的最大动能及加速次数。

【答案】（152） 2222km q B R E m ＝ 22

2qB R n mU

=

【解析】

【分析】

（1）带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，根据动能定理和洛伦兹力提供向心力求出轨道半径与加速电压的关系，从而求出轨道半径之比。

（2）通过D形盒的半径求出粒子的最大速度和最大动能，结合动能定理求出加速的次数。

【详解】

（1）设粒子每加速一次动能增加qU，第n次被加速后粒子的动能：nqU=1

2

mv n2

qv n B=m

2 n n v r

解得：

12

n

nmU

r

B q

=

粒子笫4次加速后的运动半径与笫5次加速后的运动半径之比：4

5

5

r

r

＝

（2）设粒子在回旋加速器中运动的最大半径为R，粒子的最大速度为v m，受力分析可知qv m B=m

2

m

n

v

r

粒子的最大动能：2

222

1

22

k m

m

q B R

E

m

v

m

＝＝

粒子在回旋加速器中加速总次数：

22

2

km

E qB R

n

qU mU

==

【点睛】

解决本题的关键掌握回旋加速器的原理，运用电场加速和磁场偏转，知道粒子在磁场中运动的周期与加速电场的变化周期相等。

13．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．

【答案】（1）（2）（3）

【解析】

试题分析: （1）由回旋加速器的工作原理知，交变电场的频率与粒子在磁场运动的频率相等，故:

粒子在磁场中做匀速圆周运动过程，洛伦兹力提供向心力，根据牛顿第二定律，有：

周期：

联立解得：，

(2)粒子离开磁场时速度最大，根据牛顿第二定律，有：

最大动能：

联立解得：

（3）加速次数：粒子每转动一圈加速两次，故转动的圈数为：

粒子运动的时间为：t=nT

联立解得：

考点：带电粒子在磁场中运动

14．如图甲所示为回旋加速器的工作原理示意图．置于真空中的“D”形金属盒半径为R,两盒间的狭缝间距为d，匀强磁场B垂直盒面向下，加速电压U按如图乙所示的规律变化．若被加速粒子的质量为m、电量为+q,粒子从A点飘入时的速度可忽略不计，且加速过程中不考虑相对论效应和重力的影响．

（1）求粒子第n 次被加速前、后的轨道半径之比；

（2）要使前半个周期飘人的粒子中有超过90%的能射出，求狭缝间距d 应满足的条件． 【答案】（1

）1n n r r -=（2）210U m d qRB π≤ 【解析】 【分析】 【详解】

（1）粒子每次加速获得的能量为qU ，由动能定理得第n 次加速后的动能为

2

12

n nqU mv =

； 粒子在磁场中回旋时由洛伦兹力提供向心力，由2n n n v qv B m r =

得n r =

故粒子第n

次被加速前、后的轨道半径之比为

1n n r r -=

； （2）由金属盒半径为R 知粒子获得的最大速度为m RqB

v m

=； 粒子加速时qU a md =

，粒子k 此加速达到最大速度，则有2112kd at =，2

12

m kqU mv =； 联立解得加速时间1RBd

t U

=

； 由电压的变化规律知前半个周期内只有前一段时间212

T

t t =

-内飘入的粒子才能每次被加速，欲使通过率为90%，则有20.92

T

t ≥?，代入数据可得

210U m d qRB π≤．

15．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， 根据Uq ＝

2

112

mv v 12Uq

m

根据2

v qvB m r

=

12Uqm

r =

(2)根据nUq ＝212

n mv v n 2nUq

m

根据2

v qvB m r

=

2n nUqm

r =

粒子在第n 1n n -

(3)根据2

v qvB m r

=

nUq ＝

212

n mv 知v m ＝

2qBR

nqU

m m

=