高中 | 动能定理的理解与一般应用 题目答案及解析

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必修2

第七章 机械能守恒定律

7.7 动能和动能定理

动能定理的理解与一般应用

同步辐射光源中储存环的简化模型如图所示,内、外半径分别为$R_{1}$$R_{2}$的两个半圆环区域$abcd$$a'b'c'd'$中均有垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为$B$$ab$$a'b'$间有一电势差为$U$的加速电场,$cd$$c'd'$间有一个插入件,电子每次经过插入件后,速度减小为通过前的$k$倍。现有一个质量为$m$、电荷量为$e$的电子,垂直于$cd$射入插入件,经过磁场、电场再次到达$cd$的速度增加,多次循环后到达$cd$的速度不再增加,达到稳定值。不考虑相对论效应,忽略经过电场和插入件和的时间。

求该电子进入插入件前、后,在磁场中运动的半径之比$r_{1}:r_{2}$

[["

$1:k$

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设电子进入插入件前后的速度大小分别为$v_{1}$$v_{2}$,由题意可得$v_{2}=kv_{1}$

电子在磁场中做匀速圆周运动,由洛伦兹力提供向心力得$evB=m\dfrac{v^{2}}{r}$

解得$r=\dfrac{mv}{eB}$

可知在磁场中的运动半径$r ∝ v$,可得$r_{1}:r_{2}=v_{1}:v_{2}=1:k$

求该电子多次循环后到达$cd$的稳定速度$v$

[["

$\\sqrt{\\dfrac{2eU}{m(1- k^{2})}}$,方向垂直于$cd$向左;

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电子多次循环后到达$cd$的稳定速度大小为$v$,则经过插入件后的速度大小为$kv$。电子经过电场加速后速度大小为$v$,根据动能定理得$eU=\dfrac{1}{2}mv^{2}-\dfrac{1}{2}m{(kv)}^{2}$

解得$v=\sqrt{\dfrac{2eU}{m(1-k^{2})}}$

方向垂直于$cd$向左;

若该电子运动到$cd$的中点$P$时达到稳定速度,并最终能到达边界的$d$点,求电子从$P$点运动到$d$的时间$t$

[["

$\\dfrac{\\pi(R_{2}- R_{1})}{2}\\sqrt{\\dfrac{m(1+k)}{2eU(1-k)}}$

"]]

电子到达$cd$中点$P$时速度稳定,并最终到达边界上的$d$点,

由Р点开始相继在两个半圆区域的运动轨迹如下图所示:

根据$(1)$$(2)$的结论,可得电子在右半圆区域的运动半径为$r=\dfrac{mv}{eB}=\dfrac{1}{B}\sqrt{\dfrac{2mU}{e(1-k^{2})}}$

电子在左半圆区域的运动半径为$kr$,则$\Delta x=2r − 2kr$$P$点与$d$点之间的距离为$\overline{Pd}=\dfrac{1}{2}(R_{2}-R_{1})$

电子由Р点多次循环后到达$d$点的循环次数为$n=\dfrac{\overline{Pd}}{\Delta x}=\dfrac{R_{2}-R_{1}}{4(1-k)r}$

电子在左、右半圆区域的运动周期均为$T=\dfrac{2\pi m}{eB}$

忽略经过电场与插入体的时间,则每一次循环的时间均等于$T$,可得电子从Р到$d$的时间为$t=nT=\dfrac{\pi(R_{2}-R_{1})}{2}\sqrt{\dfrac{m(1+k)}{2eU(1-k)}}$

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