物理速度選擇器和回旋加速器專題練習(xí)(及答案)含解析-資料下載頁
2025-04-02 05:26本頁面
【正文】 用對帶電粒子進(jìn)行加速的儀器?，F(xiàn)在有一個研究小組對回旋加速器進(jìn)行研究。研究小組成員分工合作，測量了真空中的D形盒的半徑為R，磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直加速器向里，大小為B1，要加速粒子的電荷量為q，質(zhì)量為m，電場的電壓大小為U。幫助小組成員完成下列計算：（1）本回旋加速器能將電荷加速到的最大速度是？（2）求要達(dá)到最大速度，粒子要經(jīng)過多少次電場加速？（3）研究小組成員根據(jù)磁場中電荷偏轉(zhuǎn)的規(guī)律設(shè)計了如圖乙的引出裝置。在原有回旋加速器外面加裝一個圓環(huán)，在這個圓環(huán)區(qū)內(nèi)加垂直加速器向里的磁場B2，讓帶電粒子在加速器邊緣恰好能偏轉(zhuǎn)至圓環(huán)區(qū)域外邊緣加以引導(dǎo)。求圓環(huán)區(qū)域所加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B2？【答案】(1) 。（2）。(3) 【解析】【詳解】（1）粒子在磁場中運動時滿足： 當(dāng)被加速的速度達(dá)到最大時滿足：r=R則解得（2）粒子在電場中被加速，每次經(jīng)過電場時得到的能量為Uq，則： 解得（3）由左手定則可知，粒子帶負(fù)電；要想使得帶電粒子在加速器邊緣恰好能偏轉(zhuǎn)至圓環(huán)區(qū)域外邊緣，則粒子運動的軌道半徑 ；由解得14．如圖所示為回旋加速器的結(jié)構(gòu)示意圖，勻強(qiáng)磁場的方向垂直于半圓型且中空的金屬盒D1和D2，磁感應(yīng)強(qiáng)度為R，金屬盒的半徑為R，兩盒之間有一狹縫，其間距為d，且，粒子在兩盒之間被加速后進(jìn)入D1盒中，經(jīng)半個圓周之后再次到達(dá)兩盒間的狹縫。通過電源正負(fù)極的交替變化，、電荷量為+q.(1)不考慮加速過程中的相對論效應(yīng)和重力的影響.①求粒子可獲得的最大速度vm；②若粒子第1次進(jìn)入D1盒在其中的軌道半徑為r1，粒子第1次進(jìn)入D2盒在其中的軌道半徑為r2，求r1與r2之比.(2)根據(jù)回旋加速器的工作原理，請通過計算對以下兩個問題進(jìn)行分析：①在上述不考慮相對論效應(yīng)和重力影響的情況下，計算粒子在回旋加速器中運動的時間時，為何常常忽略粒子通過兩盒間狹縫的時間，而只考慮粒子在磁場中做圓周運動的時間；②實驗發(fā)現(xiàn)：通過該回旋加速器，加速的帶電粒子能量達(dá)到25~30MeV后，就很難再加速了。這是由于速度足夠大時，相對論效應(yīng)開始顯現(xiàn)，粒子的質(zhì)量隨著速度的增加而增大。結(jié)合這一現(xiàn)象，分析在粒子獲得較高能量后，為何加速器不能繼續(xù)使粒子加速了?！敬鸢浮?1)① ② (2)① ②【解析】【詳解】（1）①由牛頓第二定律有：可知最大速度②設(shè)帶電粒子在兩盒間加速的次數(shù)為N，由和可得所以（2）①帶電粒子在兩盒間電場中加速過程中的加速度在電場中加速的總時間為帶電粒子運動一圈加速2次，設(shè)粒子在磁場中的運動圈數(shù)為n依據(jù)動能定理有：帶電粒子運動一圈的時間則帶電粒子在磁場中運動的總時間為由于，可知，所以可忽略。②由和、可得：從該周期公式發(fā)現(xiàn)，速度增加，粒子的質(zhì)量會增加，其運動周期會變化，但加速電場周期不變，從而使得加速電場的變化周求與粒子的運動周期不匹配，導(dǎo)致無法加速。15．如圖所示，以兩虛線為邊界，中間存在平行紙面且與邊界垂直的水平電場，寬度為，兩側(cè)為相同的勻強(qiáng)磁場，方向垂直紙面向里．一質(zhì)量為、帶電量、重力不計的帶電粒子，以初速度垂直邊界射入磁場做勻速圓周運動，后進(jìn)入電場做勻加速運動，然后第二次進(jìn)入磁場中運動，此后粒子在電場和磁場中交替運動．已知粒子第二次在磁場中運動的半徑是第一次的二倍，第三次是第一次的三倍，以此類推．求：（1）粒子第一次經(jīng)過電場的過程中電場力所做的功（2）粒子第次經(jīng)過電場時電場強(qiáng)度的大?。?）粒子第次經(jīng)過電場所用的時間（4）假設(shè)粒子在磁場中運動時，電場區(qū)域場強(qiáng)為零．請畫出從粒子第一次射入磁場至第三次離開電場的過程中，電場強(qiáng)度隨時間變化的關(guān)系圖線（不要求寫出推導(dǎo)過程，不要求標(biāo)明坐標(biāo)刻度值）．【答案】（1） （2）（3） （4）如圖；【解析】（1）根據(jù)，因為，所以，所以,（2）=，所以．（3），所以．(4)
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