高中 | 洛伦兹力 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.5 运动电荷在磁场中受到的力

洛伦兹力

$2020$年,国产“质子治疗$230\;\rm MeV$超导回旋加速器”在原子能院完成设备安装和测试。回旋加速器的原理如图所示,$D_{1}$$D_{2}$是两个半径为$R$的半圆型金属盒,接在电压为$U$、周期为$T$的交流电源上,位于$D_{1}$圆心处的质子源$A$能不断产生质子(初速度可以忽略),质子在两盒之间被电场加速,$D_{1}$$D_{2}$置于与盒而垂直的磁感应强度为$B$的匀强磁场中。已知质子的电荷量为$q$、质量为$m$,忽略质子在电场中运动的时间,不考虑加速过程中的相对论效应,不计质子重力。下列说法正确的是$(\qquad)$

["

交流电源的周期等于质子做圆周运动周期的$2$

","

若只增大交流电源的电压$U$,则质子的最大动能将增大

","

质子在电场中加速的次数为$\\dfrac{qB^{2}R^{2}}{2mU}$

","

质子第$1$次和第$2$次经过两$D$型盒间狭缝后的运动轨迹半径之比为$1:2$

"]
[["C"]]

$\rm A$.为了保证质子在电场中不断被加速,则交流电源的周期等于质子做圆周运动的周期,选项$\rm A$错误;

$\rm B$.当质子被加速到速度最大时$qvB=m\dfrac{v^{2}}{R}$

则最大动能$E_{k}=\dfrac{1}{2}mv^{2}=\dfrac{B^{2}q^{2}R^{2}}{2m}$

则若只增大交流电源的电压$U$,则质子的最大动能不变,选项$\rm B$错误;

$\rm C$.根据$E_{\rm k}=nqU$可得质子在电场中加速的次数为$n=\dfrac{qB^{2}R^{2}}{2mU}$,选项$\rm C$正确;

$\rm D$.质子第一次经过$D$型盒时$qU=\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}$

则在磁场中运动半径$r_{1}=\dfrac{mv_{1}}{qB}=\dfrac{1}{B}\sqrt{\dfrac{2mU}{q}}$

质子第二次经过$D$型盒时$2qU=\dfrac{1}{2}mv_{2}^{2}$

则在磁场中运动半径$r_{2}=\dfrac{mv_{2}}{qB}=\dfrac{1}{B}\sqrt{\dfrac{4mU}{q}}$

质子第$1$次和第$2$次经过两$D$型盒间狭缝后的运动轨迹半径之比为$1:\sqrt{2}$,选项$\rm D$错误。

故选:$\rm C$

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