高中物理速度选择器和回旋加速器练习题及答案

高中物理速度选择器和回旋加速器练习题及答案

一、速度选择器和回旋加速器

1．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 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

22L R ⎛⎫- ⎪⎝⎭

=32L 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=。

2．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

00

qB m R =v v

解得粒子做圆周运动的半径0

0m 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：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：22

002y v v v v =+=

粒子与x 轴的距离为：2

0122

R H h at h =+

=+ （4）撤电场加上磁场后，有：2

v 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4

π

，由几何关系得C 点坐标为：

02C x R =,

02

C R y H R h =-=-

过C 作x 轴的垂线，在ΔCDM 中：

02CM 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 =+

+-

3．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 qB

θ；（3）R=0tan

2mv qB

θ

【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=U

d

，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 20

v r

同时有T=0

2r

v π

粒子在圆形磁场区域中运动的时间t=2θπ

T 解得t=

m

Bq

θ (3)由几何关系可知：r tan

2

θ

=R

解得圆形磁场区域的半径R=

0tan 2mv qB

θ

4．如图所示，M 、N 为水平放置的两块平行金属板，板间距为L ，两板间存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场，电势差为MN 0U U =-，磁感应强度大小为0B .一个带正电的粒子从两板中点垂直于正交的电、磁场水平射入，沿直线通过金属板，并沿与ab 垂直的方向由d 点进入如图所示的区域（忽略电磁场的边缘效应）．直线边界ab 及ac 在同一竖直平面