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

如图为回旋加速器工作原理示意图,置于真空中的$D$形盒之间的狭缝很小,带电粒子穿过狭缝的时间可忽略。匀强磁场$B$与盒面垂直,粒子在磁场中运动周期为$T_{B}$,两$D$形盒间的狭缝中的交变电压周期为$T_{E}$,若不考虑相对论效应和粒子重力的影响,则$(\qquad)$

["

$T_{B}=2T_{E}$

","

改变加速电场电压,粒子最终获得的动能增大

","

加速电场的电压增大,粒子在电场中加速的次数将减少

","

加速完质子的$D$形盒可以直接用来加速$\\alpha$粒子,粒子获得的最大动能不变

"]
[["C"]]

$\rm A$、粒子每运动半周,被电场加速一次,故粒子在磁场中的运动周期与两$D$形盒间的狭缝中的交变电压变化周期相等,即

$T_{B}=T_{E}$,故$\rm A$错误;

$\rm B$、根据洛伦兹力提供向心力$qvB = m\dfrac{v^{2}}{R}$

知最大速度$v = \dfrac{qBR}{m}$

粒子获得的最大动能$E_{km} = \dfrac{1}{2}mv^{2} = \dfrac{q^{2}B^{2}R^{2}}{2m}$

知粒子获得的最大动能与$D$形盒的半径有关,与加速电场的电压无关,故$\rm B$错误;

$\rm C$、设加速的次数为$n$,粒子在加速器中获得的最大能量与加速次数的关系为$nqU = \dfrac{1}{2}mv^{2} = \dfrac{q^{2}B^{2}R^{2}}{2m}$

故次数$n = \dfrac{qB^{2}R^{2}}{2Um}$

加速电场的电压增大,粒子在电场中加速的次数将减少,故$\rm C$正确;

$\rm D$、由周期$T = \dfrac{2\pi R}{v}$可得$T = \dfrac{2\pi m}{qB}$

氦核在加速度器中的运动周期是质子的$2$倍,不改变磁场和周期,不能对氦核进行加速,故$\rm D$错误。

故选:$\rm C$

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