高考物理速度选择器和回旋加速器解题技巧(超强)及练习题(1)

高考物理速度选择器和回旋加速器解题技巧(超强)及练习题(1)一、速度选择器和回旋加速器1．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）22000724M x R R R h h =++-【解析】 【详解】（1）若只有磁场，粒子做圆周运动有：200qB m R =v v解得粒子做圆周运动的半径00m R qBν=（2）若同时存在电场和磁场，粒子恰好做直线运动，则有：0qE qB =v 解得粒子的速度0E v B=（3）只有电场时，粒子做类平抛，有：00y qE ma R v a t v t=== 解得：0y v v =所以粒子速度大小为：22002y v v v v =+=粒子与x 轴的距离为：20122R H h at h =+=+ （4）撤电场加上磁场后，有：2v qBv m R=解得：02R 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4π，由几何关系得C 点坐标为：02C x R =,02C R y H R h =-=-过C 作x 轴的垂线，在ΔCDM 中：02CM R R ==2C R CD y h ==-解得：22220074DM CM CD R R h h =-=+-M 点横坐标为：22000724M x R R R h h =+-2．如图所示，一束质量为m 、电荷量为q 的粒子，恰好沿直线从两带电平行板正中间通过，沿圆心方向进入右侧圆形匀强磁场区域，粒子经过圆形磁场区域后，其运动方向与入射方向的夹角为θ(弧度)．已知粒子的初速度为v 0，两平行板间与右侧圆形区域内的磁场的磁感应强度大小均为B ，方向均垂直纸面向内，两平行板间距为d ，不计空气阻力及粒子重力的影响，求：(1)两平行板间的电势差U ；(2)粒子在圆形磁场区域中运动的时间t ； (3)圆形磁场区域的半径R ．【答案】(1)U=Bv 0d ；（2）m qBθ；（3）R=0tan2mv qBθ【解析】 【分析】（1）由粒子在平行板间做直线运动可知洛伦兹力和电场力平衡，可得两平行板间的电势差．（2）在圆形磁场区域中，洛伦兹力提供向心力，找到转过的角度和周期的关系可得粒子在圆形磁场区域中运动的时间． （3）)由几何关系求半径R ． 【详解】(1)由粒子在平行板间做直线运动可知，Bv 0q=qE ，平行板间的电场强度E=Ud，解得两平行板间的电势差：U=Bv 0d(2)在圆形磁场区域中，由洛伦兹力提供向心力可知：Bv 0q=m 20v r同时有T=2rv π 粒子在圆形磁场区域中运动的时间t=2θπT 解得t=mBqθ(3)由几何关系可知：r tan2θ=R解得圆形磁场区域的半径R=0tan 2mv qBθ3．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23πθ=，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 =【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 UB d③ （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2v qvB m r= ④由几何关系有：tan2Rrθ=⑤由③④⑤式得：3oq Um=⑥4．1932 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两个D 形盒，分别为 D1、D2．D 形盒装在真空容器里，整个装置放在巨大的电磁铁两极之间的强大磁场中，磁场可以认为是匀强磁场，且与 D 形盒底面垂直．两盒间的狭缝很小，带电粒子穿过的时间可以忽略不计．D 形盒的半径为 R，磁场的磁感应强度为 B．设质子从粒子源 A 处进入加速电场的初速度不计．质子质量为 m、电荷量为+q．加速器接入一定频率的高频交变电源，加速电压为 U．加速过程中不考虑相对论效应和重力作用．求：（1）质子第一次经过狭缝被加速后进入 D2盒时的速度大小 v1和进入 D2盒后运动的轨道半径 r1；（2）质子被加速后获得的最大动能 E k和交变电压的频率 f；（3）若两 D 形盒狭缝之间距离为 d，且 d<<R．计算质子在电场中运动的总时间 t1与在磁场中运动总时间 t2，并由此说明质子穿过电场时间可以忽略不计的原因．【答案】(1)12qUvm=，112mUrB q=222KqB REm=，2qBfmπ= (3)1BRdtU=，222BRtUπ=；122t dt Rπ=【解析】（1）设质子第1此经过狭缝被加速后的速度为v1：2112qU mv=解得12qUvm=2111vqv B mr=解得：112mUrB q=（2）当粒子在磁场中运动半径非常接近D型盒的半径A时，粒子的动能最大，设速度为v m，则2mmvqv B mR=212km m E mv =解得222K qB R E m=回旋加速器正常工作时高频交变电压的频率等于粒子回旋的频率，则设粒子在磁场中运动的周期为T,则：22r mT v qBππ== 则2qBf mπ=（3）设质子从静止开始加速到粒子离开加速了n 圈，粒子在出口处的速度为v ，根据动能定理可得：22222q B R nqU m =可得224qB R n mU=粒子在夹缝中加速时，有：qUma d=，第n 次通过夹缝所用的时间满足：1n n n a t v v +∆=- 将粒子每次通过夹缝所用时间累加，则有1m v BRdt a U==而粒子在磁场中运动的时间为（每圈周期相同）2222242qB R m BR t nT mU qB Uππ==⋅= 可解得122t dt Rπ=，因为d<<R ，则 t 1<<t 25．1932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恢学设备中。

回旋加速器的工作原理如图甲所，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以忽略不计。

磁感应强度为B 的匀强磁场与盒面垂直，加速器按一定频率的高频交流电源，保证粒子每次经过电场都被加速，加速电压为U 。

D 形金属盒中心粒子源产生的粒子，初速度不计，在加速器中被加速，加速过程中不考虑相对论效应和重力作用。

(1)求把质量为m 、电荷量为q 的静止粒子加速到最大动能所需时间；(2)若此回旋加速器原来加速质量为2m ，带电荷量为q 的α粒子（42He ），获得的最大动能为E km ，现改为加速氘核（21H ），它获得的最大动能为多少？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；(3)已知两D 形盒间的交变电压如图乙所示，设α粒子在此回旋加速器中运行的周期为T ，若存在一种带电荷量为q ′、质量为m ′的粒子201100X ，在4Tt =时进入加速电场，该粒子在加速器中能获得的最大动能？（在此过程中，粒子未飞出D 形盒）【答案】（1）2π2BR U ；（2）22，见解析；（3）0100q U '【解析】 【分析】 【详解】（1）由洛伦兹力提供向心力得2mm mv qv B R= 粒子每旋转一周动能增加2qU ，则旋转周数224qB R n mU=周期2mRT v π=粒子在磁场中运动的时间2π=2BR t nT U=磁 一般地可忽略粒子在电场中的运动时间，t 磁可视为总时间 （2）对α粒子，由速度2m qBRv mα=得其最大动能为22221224kmm q B R E mv mα=⨯=对氘核，最大动能为22222222()112228km mHqB R q B R E mv m m m'==⨯⨯= 若两者有相同的动能，设磁感应强度变为B′、由α粒子换成氘核，有222222=48q B R q B R m m'解得B '=倍高频交流电源的原来周期4mT qBπ=故24222m m m T q qB qB B ππ'====' 由α（3）对粒子201100X 分析，其在磁场中的周期12201200m T T q Bπ'=='每次加速偏移的时间差为1=2400T T T T -∆= 加速次数4100Tn T==∆所以获得的最大动能00100km E nq U q U ''==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。