高中物理速度选择器和回旋加速器技巧(很有用)及练习题含解析
一、速度选择器和回旋加速器
1．如图所示，两平行金属板AB 中间有互相垂直的匀强电场和匀强磁场。A 板带正电荷，B 板带等量负电荷，电场强度为E ；磁场方向垂直纸面向里，磁感应强度为B 1。平行金属板右侧有一挡板M ，中间有小孔O ′，OO ′是平行于两金属板的中心线。挡板右侧有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为B 2，CD 为磁场B 2边界上的一绝缘板，它与M 板的夹角θ=45°，现有大量质量均为m ，电荷量为q 的带正电的粒子(不计重力)，自O 点沿OO ′方向水平向右进入电磁场区域，其中有些粒子沿直线OO ′方向运动，通过小孔O ′进入匀强磁场B 2，如果这些粒子恰好以竖直向下的速度打在CD 板上的E 点(E 点未画出)，求：
(1)能进入匀强磁场B 2的带电粒子的初速度v ； (2)CE 的长度L
(3)粒子在磁场B 2中的运动时间．
【答案】(1)1 E B (2) 12
2mE qB B (3) 2m qB π 【解析】 【详解】
(1)沿直线OO ′运动的带电粒子，设进入匀强磁场B 2的带电粒子的速度为v ， 根据
B 1qv =qE
解得：
v =
1
E
B (2)粒子在磁感应强度为B 2磁场中做匀速圆周运动，故：
2
2v qvB m r
=
解得：
r =2mv qB =12
mE qB B 该粒子恰好以竖直向下的速度打在CD 板上的E 点，CE 的长度为：
L =
45r sin o
2r 12
2mE
(3) 粒子做匀速圆周运动的周期2
m
T qB
π= 2t m qB
π
=
2．如图所示的直角坐标系xOy ，在其第二象限内有垂直纸面向里的匀强磁场和沿y 轴负方向的匀强电场。虚线OA 位于第一象限，与y 轴正半轴的夹角θ=60°，在此角范围内有垂直纸面向外的匀强磁场；OA 与y 轴负半轴所夹空间里存在与OA 平行的匀强电场，电场强度大小E =10N/C 。一比荷q =1×106C/kg 的带电粒子从第二象限内M 点以速度v =2.0×103m/s 沿x 轴正方向射出，M 点到x 轴距离d =1.0m ，粒子在第二象限内做直线运动；粒子进入第一象限后从直线OA 上的P 点（P 点图中未画出）离开磁场，且OP =d 。不计粒子重力。
(1)求第二象限中电场强度和磁感应强度的比值0
E B ；
(2)求第一象限内磁场的磁感应强度大小B ；
(3)粒子离开磁场后在电场中运动是否通过x 轴？如果通过x 轴，求其坐标；如果不通过x 轴，求粒子到x 轴的最小距离。
【答案】(1)32.010m/s ?；(2)3210T -?；(3)不会通过，0.2m 【解析】 【详解】
(1)由题意可知，粒子在第二象限内做匀速直线运动,根据力的平衡有
00qvB qE =
解得
30
2.010m/s E B =? (2)粒子在第二象限的磁场中做匀速圆周运动，由题意可知圆周运动半径
1.0m R d ==
根据洛伦兹力提供向心力有
2
v qvB m R
=
解得磁感应强度大小
3210T B -=?
(3)粒子离开磁场时速度方向与直线OA 垂直，粒子在匀强电场中做曲线运动，粒子沿y 轴
负方向做匀减速直线运动，粒子在P 点沿y 轴负方向的速度大小
sin y v v θ=
粒子在电场中沿y 轴方向的加速度大小
cos y qE a
m
θ
=
设经过t ?时间，粒子沿y 轴方向的速度大小为零，根据运动学公式有
y y
v t a ?=
t ?时间内，粒子沿y 轴方向通过的位移大小
2
y v y t ?=
??
联立解得
0.3m y ?=
由于
cos y d θ?<
故带电粒子离开磁场后不会通过x 轴，带电粒子到x 轴的最小距离
cos 0.2m d d y θ'=-?=
3．如图所示：在两个水平平行金属极板间存在着向下的匀强电场和垂直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 =1×103N/C 和B 1=0.02T ，极板长度L =0.4m ，间距足够大。在极板的右侧还存在着另一圆形匀强磁场区域，磁场的方向垂直纸面向外，圆形磁场的圆心O 位于平行金属板的中线上，圆形磁场的半径R =0.6m 。有一带正电的粒子以一定初速度v 0沿极板中线水平向右飞入极板间恰好做匀速直线运动，然后进入圆形匀强磁场区域，飞出后速度方向偏转了74°，不计粒子重力，粒子的比荷q
m
=3.125×106C/kg ，sin37°=0.6,cos37°=0.8，5≈2.24。求： （1）粒子初速度v 0的大小；
（2）圆形匀强磁场区域的磁感应强度B 2的大小；
（3）在其他条件都不变的情况下，将极板间的磁场撤去，为使粒子飞出极板后不能进入圆形磁场，则圆形磁场的圆心O 离极板右边缘的水平距离d 应该满足的条件。
【答案】（1）v 0=5×104m/s ；（2）B 2=0.02T ；（3） 1.144m d ≥。 【解析】
【详解】
（1）粒子在电场和磁场中匀速运动，洛伦兹力与电场力平衡
qv 0B 1=Eq
带电粒子初速度
v 0=5×104m/s
（2）带电粒子进入磁场后做匀速圆周运动，洛伦兹力充当向心力
20
02v qv B m r
=
轨迹如图所示：
由几何关系，带电粒子做圆周运动的半径为
4
0.8m tan 373
R r R =
==?
联立解得：
B 2=0.02T
（3）带电粒子在电场中做类平抛运动 水平方向
0L v t =?
竖直方向
212
y at =
由牛顿第二定律
qE ma =
粒子飞出极板后不能进入圆形磁场即轨迹刚好与圆形磁场相切，如图所示：
由几何关系 ，利用三角形相似，有：
22
()22
L y y R
d +=+
， 解得
1.144m d =，
若想带电粒子不能飞入圆形磁场，应满足 1.144m d ≥。
4．在图所示的平行板器件中，电场强度和磁感应强度相互垂直．具有某一水平速度的带电粒子，将沿着图中所示的虚线穿过两板间的空间而不发生偏转，具有其他速度的带电粒子将发生偏转．这种器件能把具有某一特定速度的带电粒子选择出来，叫作速度选择器．已知粒子A （重力不计）的质量为m,带电量为+q ；两极板间距为d ；电场强度大小为E ，磁感应强度大小为B ．求：
(1)带电粒子A 从图中左端应以多大速度才能沿着图示虚线通过速度选择器？
(2)若带电粒子A 的反粒子(-q, m)从图中左端以速度E/B 水平入射，还能沿直线从右端穿出吗？为什么？
(3)若带电粒子A 从图中右端两极板中央以速度E/B 水平入射，判断粒子A 是否能沿虚线从左端穿出，并说明理由．若不能穿出而打在极板上．请求出粒子A 到达极板时的动能？ 【答案】(1) E/B (2) 仍能直线从右端穿出，由(1)可知，选择器(B, E)给定时，与粒子的电
性、电量无关．只与速度有关 (3) 不可能, 2
122
E Eqd
m B ??+ ???
【解析】
试题分析：，电场的方向与B 的方向垂直，带电粒子进入复合场，受电场力和安培力，且二力是平衡力，即Eq =qvB ，即可解得速度．仍能直线从右端穿出，由(1)可知，选择器(B, E)给定时，与粒子的电性、电量无关．只与速度有关．
(1) 带电粒子在电磁场中受到电场力和洛伦兹力（不计重力），当沿虚线作匀速直线运动时，两个力平衡，即Eq =Bqv 解得：E v B
=
（2）仍能直线从右端穿出，由(1)可知，选择器(B, E)给定时，与粒子的电性、电量无关．只与速度有关．
(3)设粒子A 在选择器的右端入射是速度大小为v ，电场力与洛伦兹力同方向，因此不可能直线从左端穿出，一定偏向极板．设粒子打在极板上是的速度大小为v ′． 由动能定理得：22111
222
Eqd mv mv '=- 因为 E=Bv
联立可得粒子A 到达极板时的动能为：2
122
k E Eqd
E m B ??=+ ???
点睛：本题主要考查了从速度选择器出来的粒子电场力和洛伦兹力相等，粒子的速度相同，速度选择器只选择速度，不选择电量与电性，同时要结合功能关系分析．
5．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向里磁感应强度为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。已知粒子的质量为m ，电荷量为q ，不计粒子的重力及空气阻力。
（1）求带电粒子刚进入极板左侧时的速度大小v ； （2）求粒子打到荧光屏P 点时动能大小； （3）求荧光屏上P 点与o 点间距离。
【答案】（1）U Bd （2）22222222q L B mU m d B + (3)
2232qB L d
mU
【解析】 【分析】
（1） 带电粒子受力平衡，洛伦兹力等于电场力，从而求解粒子进入极板时的速度；（2，3）只有电场时，粒子在电场中做类平抛运动，结合运动公式求解粒子打到荧光屏P 点时动能大小以及荧光屏上P 点与O 点间距离； 【详解】
（1） 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
（2）带电粒子在两极板间运动时间t1=L
v，加速度
qU
a
md
=
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
=
粒子出偏转场时动能大小为
2222 222
22 11
()
2222 K y
q L B mU E mv m v v
m d B ==+=+
（3）带电粒子穿过电场时的侧移量
2
2
112 1
22
qUL y at
mdv ==
带电粒子离开两极板间后做匀速直线运动的时间t2=L v
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 ==
P点与O点距离h=y1+y2=
222
2
33
=
22 qUL qB L d mdv mU
6．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）
22
2
3
q 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
2
32qUL 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.
7．1897年，汤姆孙根据阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流并求出了这种粒子的比荷，图为汤姆孙测电子比荷的装置示意图。在真空玻璃管内，阴极K 发出的电子经阳极A 与阴极K 之间的高电压加速后，形成细细的一束电子流，沿图示方向进入两极板C 、D 间的区域。若两极板C 、D 间无电压，电子将打在荧光屏上的O 点，若在两极板间施加电压U ，则离开极板区域的电子将打在荧光屏上的P 点；若再在极板间施加磁感应强度大小为B 的匀强磁场，则电子在荧光屏上产生的光点又回到O 点，已知极板的长度L 1=5.00cm ，C 、D 间的距离d =1.50cm ，极板的右端到荧光屏的距离L 2=10.00cm ，U =200V ，B =6.3×10－4T ，P 点到O 点的距离Y =3.0cm 。求:
(1)判断所加磁场的方向；
(2)电子经加速后射入极板C、D的速度v；
(3)电子的比荷(结果保留三位有效数字）。
【答案】(1)磁场方向垂直纸面向外 (2)v=2.12×107m/s (3)=1.61×1011C/kg
【解析】
【详解】
（1）由左手定则可知磁场方向垂直纸面向外；
（2）当电子受到的电场力与洛伦兹力平衡时，电子做匀速直线运动，亮点重新回复到中心O点，设电子的速度为，则evB=eE
得即代入数据得v=2.12×107m/s
（3）当极板间仅有偏转电场时，电子以速度进入后，竖直方向作匀加速运动，加速度为
电子在水平方向作匀速运动，在电场内的运动时间为
这样，电子在电场中，竖直向下偏转的距离为
离开电场时竖直向下的分速度为
电子离开电场后做匀速直线运动，经t2时间到达荧光屏
t2时间内向上运动的距离为
这样，电子向上的总偏转距离为
可解得代入数据得=1.61×1011C/kg
【点睛】
本题是组合场问题：对速度选择器，根据平衡条件研究；对于类平抛运动的处理，通常采用运动的分解法律：将运动分解成相互垂直的两方向运动，将一个复杂的曲线运动分解成两个简单的直线运动，并用牛顿第二定律和运动学公式来求解．
8．如图甲，两个半径足够大的D形金属盒D1、D2正对放置，O1、O2分别为两盒的圆心，盒内区域存在与盒面垂直的匀强磁场。加在两盒之间的电压变化规律如图乙，正反向电压的大小均为U o，周期为T o，两盒之间的电场可视为匀强电场。在t=0时刻，将一个质量为m、电荷量为q（q>0）的粒子由O2处静止释放，粒子在电场力的作用下向右运动，在
2
T t =
时刻通过O 1.粒子穿过两D 形盒边界M 、N 时运动不受影响，不考虑由于电场变化而产生的磁场的影响，不计粒子重力。 (1)求两D 形盒边界M 、N 之间的距离；
(2)若D 1盒内磁场的磁感应强度10m B qT π=，且粒子在D 1、D 2盒内各运动一次后能到达 O 1，
求D 2盒内磁场的磁感应强度；
(3)若D 2、D 2盒内磁场的磁感应强度相同，且粒子在D 1、D 2盒内各运动一次后在t = 2T o 时刻到达O l ，求磁场的磁感应强度。
【答案】2
008qU T m 02m π0
2(46)m π+【解析】 【详解】
(1)设两盒之间的距离为d ，盒间电场强度为E ，粒子在电场中的加速度为a ，则有
U 0=Ed qE=ma
2
01()22
T d a =
联立解得
2
008qU T d m
=
(2)设粒子到达O 1的速度为v 1，在D 1盒内运动的半径为R 1，周期为T 1，时间为t 1，则有
12
T v a =?
2
1111
mv qv B R =
1
11
2R T v π=
1112
t T =
可得
t 1=T 0
故粒子在032
T 时刻回到电场；
设粒子经电场再次加速后以速度v 2进入D 2盒，由动能定理
220211122
qU mv mv =
- 设粒子在D 2盒内的运动半径为R 2，则
2
2
222
mv qv B R =
粒子在D 1D 2盒内各运动一次后能到达O 2应有
R 2=R 1
联立各式可得
20
2m
B qT π=
(3)依题意可知粒子在D 1D 2盒内运动的半径相等；又
2
mv qvB R
= 故粒子进入D 2盒内的速度也为v 1；可判断出粒子第二次从O 2运动到O 1的时间也为0
2
T 粒子的运动轨迹如图；
粒子从P 到Q 先加速后减速，且加速过程的时间和位移均相等，设加速过程的时间为t 2，则有
21221122
d v t at =+ 则粒子每次在磁场中运动的时间
322
T t t =
- 又
2m
T qB
π=
32
T
t =
联立各式解得
2(46)m
B π+=
9．如图是回旋加速器示意图，置于真空中的两金属D 形盒的半径为R ，盒间有一较窄的狭缝，狭缝宽度远小于D 形盒的半径，狭缝间所加交变电压的频率为f ，电压大小恒为U ，D 形盒中匀强磁场方向如图所示，在左侧D 形盒圆心处放有粒子源S ，产生的带电粒子的质量为m ，电荷量为q 。设带电粒子从粒子源S 进入加速电场时的初速度为零，不计粒子重力。求：
(1)D 形盒中匀强磁场的磁感应强度B 的大小 (2)粒子能获得的最大动能E k
(3)粒子经n 次加速后在磁场中运动的半径R n
【答案】(1)2πfm B q =(2)222
k 2πE R f m =(3)122πn nqU
R f
m
=【解析】 【详解】
(1)粒子做圆周运动的周期与交变电流的周期相等，则有
2π1
=
m T qB f = 解得
2πfm
B q
=
(2)当粒子的半径达到D 型盒的半径时，速度最大，动能也最大，则有
2
v qvB m R
=
则
mv R qB
=
最大动能为
222
22222k 11()2π222qBR q B R E mv m R f m m m
====
(3)粒子经n 次加速后的速度为
2
12
n nqU mv =
得
2n nqU
v m
=
半径为
1
22πn n mv nqU
R qB f m
=
=
10．回旋加速器核心部分是两个D 形金属扁盒，两盒分别和一高频交流电源两极相接．以便在盒间的窄缝中形成匀强电场，使粒子每次穿过狭缝都得到加速．两盒放在磁惑应强度为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带电荷量为q ，质量为m ，粒子最大回旋半径为Rn ，其运动轨迹如图所示．问.
(1)D 形盒内有无电场？ (2)粒子在盒内做何种运动？
(3)所加交流电压频率应是多大．粒子运动的角速度为多大？ (4)粒子离开加速器时速度为多大？最大动能为多少？
(5)设两D 形盒间电场的电势差为U ，盒间距离为d ，其间电场均匀，求把静止粒子加速到上述能量所需时间．
【答案】(1) D 形盒内无电场 (2) 粒子在盒内做匀速圆周运动 (3)
2qB
m
π ， qB m (4)
n qBR m ，222
2n q B R m
(5) 2n n BR BR d U U π+
【解析】 【分析】 【详解】
(1)加速器由D 形盒盒间缝隙组成，盒间缝隙对粒子加速，D 形盒起到让粒子旋转再次通过盒间缝隙进行加速，要做匀速圆周运动，则没有电场．电场只存在于两盒之间，而盒内无
电场.
(2)粒子在磁场中只受洛伦兹力作用，洛伦兹力始终与速度垂直，粒子做匀速圆周运动
(3)所加交流电压频率等于粒子在磁场中的频率，根据2
v qvB m r
=和2r T v π=
可得2m
T qB
π=
， 故频率12qB f T m
π=
= 运动的角速度2qB T m
πω=
= (4)粒子速度增加则半径增加，当轨道半径达到最大半径时速度最大，由mv
r qB
= 得：2
max
n
qBR v m
= 则其最大动能为：222
2122n km n q B R E mv m
== (5)由能量守恒得：
2
12
mv nqU = 则离子匀速圆周运动总时间为：12nT t = 离子在匀强电场中的加速度为：qU
a md
=
匀加速总时间为：2m
v t a
=
解得：122n n BR BR d
t t t U U
π=+=+ 【点睛】
解决本题的关键知道回旋加速器利用磁场偏转和电场加速实现加速粒子，最大速度决定于D 形盒的半径．
11．诺贝尔物理学奖得主劳伦斯发明了回旋加速器，其原理可简化如下．如图所示，两个中空的半径R =0.125m 的半圆金属盒，接在电压U =5000V 、频率恒定的交流电源上；两盒狭缝之间距离d =0.01m ，金属盒面与匀强磁场垂直，磁感应强度B =0.8T ．位于圆心处的质子源能不断产生质子（初速度可以忽略，重力不计，不计质子间的相互作用），质子在狭缝之间能不断被电场加速，最后通过特殊装置引出．已知质子的比荷
198
271.6101101.6710q C m kg
--?=≈??C/kg ，求： (1)质子能获得的最大速度；
(2)质子在电场加速过程中获得的平均功率；
(3)随轨道半径r 的增大，同一盒中相邻轨道的半径之差Δr 如何变化？简述理由． (4)设输出时质子束形成的等效电流为100mA ，回旋加速器输出功率是多大？
【答案】(1)7max 110v =?m/s (2) 7
410P -≈?W 电 (3) Δr 逐渐减小 (4)P =5000W
【解析】 【详解】
（1）粒子在磁场中回旋，有
2
mv qvB r
= 引出时有r=R ， 得
7max 110gBR
v m
=
=?m/s （2）引出前质子（在电场中）加速的次数
100km E
n qU
==
质子在电场中多次加速，可等效为一次性做匀加速直线运动 该过程中的平均速度为v /2，则
7210/2
nd
t s v -=
=?电 平均功率
()227777
1
1.6710102
410210
W P t ---???==≈??W W 电电 （3）粒子回旋半径mv
r qB
=
，设加速一次后的速度为v 1，加速三次后的速度为v 3，则有 313v v =，515v v =……，
由此
313r r =，55r r
因为111(31)(53)(75)r r r >>>L L ，故Δr 逐渐减小 （4）研究出口处截面Δt →0时间内的质子，设有N 个，则
N·q =I ·Δt
在该时间内，回旋加速器做的功等效于把N 个质子从静止加速到km E 即
21
(0)2
W N mv =-
W P t
=
?， 代入得
P =5000W
12．在近代物理实验中，常用回旋加速器加速得到高速粒子流．回旋加速器的结构如图所示，D 1、D 2是相距很近的两个处于匀强磁场中的半圆形金属盒，D 形盒的缝隙处接交流电源，A 处的粒子源产生的带电粒子在两盒之间被电场加速．设带电粒子质量为m ，电量为q ，匀强磁场磁感应强度为B ，D 形盒的最大半径为R ，两个D 形盒之间的距离为d ，d 远小于R ，D 形盒之间所加交变电压大小为U ．不计粒子的初速度及运动过程中质量的变化，求：
（1）所加交变电压的周期T ；
（2）带电粒子离开D 形盒时的动能E km ；
（3）带电粒子在回旋加速器磁场中运动的时间t 1及在两D 形盒间电场中运动的时间t 2，并证明粒子在电场中运动的时间可以忽略不计． 【答案】（1） （2）
（3）见解析
【解析】 【详解】
（1）带电粒子在磁场中运动半周的时间与交变电压的半个周期相等， 得
（2）带电粒子离开D 形盒时的轨迹半径为R ，由圆周运动的规律得 解得：
带电粒子离开D 形盒时的动能
（3）设带电粒子在电场中加速的次数为n ，有
解得：
又因为带电粒子在磁场中运动的周期
所以带电粒子在磁场中运动的时间
解得：
带电粒子在电场中的运动可看成匀加速直线运动，得v=at
其中所以带电粒子在电场中运动的时间
有
因为d远小于R，有t2远小于t1，所以带电粒子在电场中运动的时间可以忽略．
【点睛】
此题关键是知道回旋加速器的工作原理，知道电场的周期等于粒子在磁场中的周期，当粒子的半径等于D型盒的半径时，粒子的速度最大，能量最大.
13．如图1所示为回旋加速器的示意图．它由两个铝制D型金属扁盒组成，两个D形盒正
D盒中心A 中间开有一条狭缝，两个D型盒处在匀强磁场中并接在高频交变电源上．在1
处有离子源，它产生并发出的α粒子，经狭缝电压加速后，进入2D盒中．在磁场力的作用下运动半个圆周后，再次经狭缝电压加速．为保证粒子每次经过狭缝都被加速，设法使交变电压的周期与粒子在狭缝及磁场中运动的周期一致如．此周而复始，速度越来越大，运动半径也越来越大，最后到达D型盒的边缘，以最大速度被导出．已知α粒子电荷量为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.设狭缝很窄，粒子通过狭缝的时间可以忽略不计，且α粒子从离子源发出时的初速度为零．(不计α粒子重力)求：
(1)α粒子第1次由1D盒进入2D盒中时的速度大小；
(2)α粒子被加速后获得的最大动能k E；
(3)符合条件的交变电压的周期T；
(4)粒子仍在盒中活动过程中，α粒子在第n 次由2D 盒进入1D 盒与紧接着第n +1次由2D 盒进入1D 盒位置之间的距离Δx .
【答案】（1）1v （2）222
2k q B R E m
= （3）2m T Bq π= （4）
x =
V 【解析】 【分析】 【详解】
（1）设α粒子第一次被加速后进入D 2盒中时的速度大小为v 1，根据动能定理有
211
2
qU mv ＝
解得，1v （2）α粒子在D 形盒内做圆周运动，轨道半径达到最大时被引出，具有最大动能．设此时
的速度为v ，有2
mv qvB R
＝
解得：qBR
v m
＝
设α粒子的最大动能为E k ，则212
k E mv =
解得：222
2k q B R E m
=
（3）设交变电压的周期为T ，为保证粒子每次经过狭缝都被加速，带电粒子在磁场中运动一周的时间应等于交变电压的周期（在狭缝的时间极短忽略不计），则交变电压的周期
22r m
T v Bq
ππ=
= （4）离子经电场第1次加速后，以速度v 1进入D 2盒，设轨道半径为r 1
则 11mv r qB ＝
离子经第2次电场加速后，以速度v 2进入D 1盒，设轨道半径为r 2
则 22mv r qB ＝
离子第n 次由D 1盒进入D 2盒，离子已经过（2n -1）次电场加速，以速度v 2n-1进入D 2盒，
由动能定理：
2
211212
n n Uq mv --=（）
轨道半径 ()212121
n n n mU
mv r qB B
q
--=
=
离子经第n +1次由D 1盒进入D 2盒，离子已经过2n 次电场加速，以速度v 2n 进入D 1盒，由动能定理：2
2122
n nUq mv = 轨道半径：21122n n mv n mU
r qB B q
+?=
= 则△x =2（r n+1-r n ）（如图所示）
解得，()2121221
2
22
221n mU n mU Um
x n n B q B
q
B q
V （）（）
-??=-
=
--
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 （2
2 （3
）0
6m qB π【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：1r =
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：2r =
12:2r 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10U =
，2
012U 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：