高中 | 回旋加速器 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动

回旋加速器

跑道式回旋加速器的工作原理如图所示。两个匀强磁场区域Ⅰ、Ⅱ的边界平行,相距为$L$,磁感应强度大小均为$B$,方向垂直纸面向里。$P$$Q$之间存在匀强加速电场,电场强度为$E$,方向与磁场边界垂直。质量为$m$、电荷量为$+q$的粒子从$P$飘入电场,多次经过电场加速和磁场偏转后,从位于边界上的出射口$K$引出时动能为${{E}_{\text{k}}}$。已知$K$$Q$的距离为$d$,带电粒子的重力不计。则下列说法正确的是$(\qquad)$

 

["

第一次加速后,粒子在Ⅱ中运动的半径比在Ⅰ中的半径大

","

粒子每次从$P$点被加速到再次回到$P$点所用的时间相同

","

粒子从出射口$K$引出的动能${{E}_{\\text{k}}}=\\dfrac{{{q}^{2}}{{B}^{2}}{{d}^{2}}}{8m}$

","

粒子出射前经过加速电场的次数$N=\\dfrac{q{{B}^{2}}{{d}^{2}}}{mEL}$

"]
[["C"]]

$\text{A}$、第一次加速后,粒子在Ⅱ中和在Ⅰ中的运动速率相等,由$r=\dfrac{mv}{qB}$分析可知,粒子在Ⅱ中运动的半径与在Ⅰ中的半径相等,故$\text{A}$错误;

$\text{B}$、粒子每次从$P$点被加速到再次回到$P$点在磁场中所用的时间相等,但在电场中所用时间不等,因为在电场中的平均速度不断增大,所用时间越来越短,所以粒子每次从$P$点被加速到再次回到$P$点所用的时间越来越短,故$\text{B}$错误;

$\text{C}$、设粒子从出射口$K$射出时的速度大小为${{v}_{\text{m}}}$,此时粒子在磁场中做匀速圆周运动的轨道半径最大,为$r=\dfrac{d}{2}$,粒子在磁场中做匀速圆周运动,由洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二定律得:$q{{v}_{\text{m}}}B=m\dfrac{v_{\text{m}}^{2}}{r}$,粒子从出射口$K$射出时的动能${{E}_{\text{k}}}=\dfrac{1}{2}mv_{\text{m}}^{2}$,联立解得:${{E}_{\text{k}}}=\dfrac{{{q}^{2}}{{B}^{2}}{{d}^{2}}}{8m}$,故$\text{C}$正确;

$\text{D}$、设粒子在电场中加速次数是$N$,粒子在电场中加速过程,由动能定理得:${{E}_{\text{k}}}=NqEL$,解得:$N=\dfrac{q{{B}^{2}}{{d}^{2}}}{8mEL}$,故$\text{D}$错误。

故选:$\text{C}$

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