某种回旋加速器的设计方案俯视图如图甲所示,图中粗黑线段为两个正对的极板,极板间距离为d,带电粒子进入板间立刻在两极板间(包括极板边界)加上恒定的电势差U,且两极板电势高低不变,粒子射出极板后,电势差立刻变为零。两个极板的板面中部各有一狭缝(沿OP方向的狭长区域),带电粒子可通过狭缝穿过极板(如图乙);两细虚线间(除开两极板之间的区域)既无电场也无磁场;两半圆区域存在匀强磁场(未画出),磁感应强度方向垂直于纸面。从粒子源S中射出的质量为m、电荷量为
的粒子,由静止开始被电场加速,经狭缝中的O点进入磁场区域,O点到极板右端的距离为D,到出射孔P的距离为bD(常数b为大于2的自然数)。已知磁感应强度大小可调,粒子从粒子源上方的O点射入磁场区域,最终只能从出射孔P射出。假设粒子打到器壁或粒子源外壁则立即被吸收。忽略粒子间作用力,不计粒子重力。
(1)若粒子能从P点射出时,求磁感应强度大小B的最小值;
(2)若粒子从P点射出时,动能需要达到
,其中n为自然数,求:
①当磁感应强度大小为
时,粒子做圆周运动的最大轨迹半径;
②磁感应强度大小B可能的值。
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(1)若粒子能从P点射出时,求磁感应强度大小B的最小值;
(2)若粒子从P点射出时,动能需要达到
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①当磁感应强度大小为
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/c41d793c851a2f72f787913ba23e459c.png)
②磁感应强度大小B可能的值。
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(已下线)2023届高考物理考前冲刺卷 【江苏专版】
更新时间:2023-05-24 15:08:45
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解答题
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困难
(0.15)
【推荐1】回旋加速器的工作原理如图甲所示,置于高真空中的D形金属盒半径为R,两盒间距很小,带电粒子穿过的时间可以忽略不计。磁感应强度为B0的匀强磁场与盒面垂直。在下极板的圆心A处粒子源产生的粒子,质量为m、电荷量为+q,在加速器中被加速,加速电压u随时间的变化关系如图乙所示
。加速过程中不考虑相对论效应和变化电场对磁场分布的影响。
(1)粒子开始从静止被加速,估算该离子离开加速器时获得的动能Ek;
(2)调节交流电的电压,先后两次的电压比为1:2,则粒子在加速器中的运动时间之比为多少?
(3)带电粒子在磁场中做圆周运动的圆心并不是金属盒的圆心O,而且在不断的变动。设第一次加速后做圆周运动的圆心O1到O的距离为x1,第二次加速后做圆周运动的圆心O2到O的距离为x2,这二个距离平均值约为最后从加速器射出时圆周运动的圆心位置x,求x的值,并说明出口处为什么在A的左边;
(4)实际使用中,磁感应强度B会出现波动,若在t=
时粒子第一次被加速,要实现连续n次加速,求B可波动的最大范围。
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/editorImg/2022/9/9/a7bb06f6-e9c9-420f-8244-b7f936aeed84.png?resizew=275)
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(1)粒子开始从静止被加速,估算该离子离开加速器时获得的动能Ek;
(2)调节交流电的电压,先后两次的电压比为1:2,则粒子在加速器中的运动时间之比为多少?
(3)带电粒子在磁场中做圆周运动的圆心并不是金属盒的圆心O,而且在不断的变动。设第一次加速后做圆周运动的圆心O1到O的距离为x1,第二次加速后做圆周运动的圆心O2到O的距离为x2,这二个距离平均值约为最后从加速器射出时圆周运动的圆心位置x,求x的值,并说明出口处为什么在A的左边;
(4)实际使用中,磁感应强度B会出现波动,若在t=
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(0.15)
名校
【推荐2】回旋加速器的工作原理如图甲所示,置于高真空中的D形金属盒半径为R,两盒间距很小,带电粒子穿过的时间可以忽略不计。磁感应强度为
的匀强磁场与盒面垂直。圆心O处粒子源产生的粒子,质量为m、电荷量为+q,在加速器中被加速,加速电压u随时间的变化关系如图乙所示,其中
。加速过程中不考虑相对论效应和变化电场对磁场分布的影响。
(1)粒子从静止开始被加速,估算该离子离开加速器时获得的动能
;
(2)若
时粒子从静止开始被加速,求粒子从静止开始加速到出口处所需的时间t;
(3)实际上,带电粒子在磁场中做圆周运动的圆心并不是金属盒的圆心O,而且在不断的变动。设粒子从静止开始被加速,第一次加速后在磁场中做圆周运动的圆心
到O的距离为
(r已知),第二次加速后做圆周运动的圆心
到O的距离为
,求n次加速后做圆周运动的圆心
到O的距离
;
(4)实际使用中,磁感应强度B会出现波动,若在
时产生的粒子第一次被加速,要实现连续n次加速,求B可波动的最大范围。
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(1)粒子从静止开始被加速,估算该离子离开加速器时获得的动能
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(2)若
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(3)实际上,带电粒子在磁场中做圆周运动的圆心并不是金属盒的圆心O,而且在不断的变动。设粒子从静止开始被加速,第一次加速后在磁场中做圆周运动的圆心
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(4)实际使用中,磁感应强度B会出现波动,若在
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![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/2022/4/3/2957148631973888/2957520168869888/STEM/f6f74622-2ae4-4fd0-8dea-489c873e635d.png?resizew=485)
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(0.15)
名校
【推荐3】回旋加速器是用来加速带电粒子的装置,图20为回旋加速器的示意图。D1、D2是两个中空的铝制半圆形金属扁盒,在两个D形盒正中间开有一条狭缝,两个D形盒接在高频交流 电源上。在D1盒中心A处有粒子源,产生的带正电粒子在两盒之间被电场加速后进入D2盒中。两个D形盒处于与盒面垂直的匀强磁场中,带电粒子在磁场力的作用下做匀速圆周运动,经过半个圆周后,再次到达两盒间的狭缝,控制交流电源电压的周期,保证带电粒子经过狭缝时再次被加速。如此,粒子在做圆周运动的过程中一次一次地经过狭缝,一次一次地被加速,速度越来越大,运动半径也越来越大,最后到达D形盒的边缘,沿切线方向以最大速度被导出。已知带电粒子的电荷量为q,质量为m,加速时狭缝间电压大小恒为U,磁场的磁感应强度为B,D形盒的半径为R狭缝之间的距离为d。设从粒子源产生的带电粒子的初速度为零,不计粒子受到的重力,求:
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/2019/1/10/2115751524524032/2118760689303552/STEM/03d53197-1860-49e4-97e8-35791b0073cb.png?resizew=145)
(1)带电粒子能被加速的最大动能Ek;
(2)尽管粒子在狭缝中每次加速的时间很短但也不可忽略。试计算上述正离子在某次加速过程当中从离开离子源到被第n次加速结束时所经历的时间;
(3)设该正离子在电场中的加速次数与回旋半周的次数相同,试推证当R>>d时,正离子在电场中加速的总时间相对于在D形盒中回旋的时间可忽略不计(正离子在电场中运动时,不考虑磁场的影响)
(4)带电粒子在D2盒中第n个半圆的半径;
(5)若带电粒子束从回旋加速器输出时形成的等效电流为I,求从回旋加速器输出的带电粒 子的平均功率
。
(6)实际使用中,磁感应强度和加速电场频率都有最大值的限制。若某一加速器磁感应强度和加速电场频率的最大值分别为Bm、fm,试讨论粒子能获得的最大动能Ekm
(7)a粒子在第n次由D1盒进入D2盒与紧接着第n+1次由队盒进入队盒位置之间的距离△x;
(8)试推理说明:质子在回旋加速器中运动时,随轨道半径r的增大,同一盒中相邻轨道的半径之差△r是增大、减小还是不变?
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(1)带电粒子能被加速的最大动能Ek;
(2)尽管粒子在狭缝中每次加速的时间很短但也不可忽略。试计算上述正离子在某次加速过程当中从离开离子源到被第n次加速结束时所经历的时间;
(3)设该正离子在电场中的加速次数与回旋半周的次数相同,试推证当R>>d时,正离子在电场中加速的总时间相对于在D形盒中回旋的时间可忽略不计(正离子在电场中运动时,不考虑磁场的影响)
(4)带电粒子在D2盒中第n个半圆的半径;
(5)若带电粒子束从回旋加速器输出时形成的等效电流为I,求从回旋加速器输出的带电粒 子的平均功率
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/9e20c1d71202ea945643004f5b44f0fc.png)
(6)实际使用中,磁感应强度和加速电场频率都有最大值的限制。若某一加速器磁感应强度和加速电场频率的最大值分别为Bm、fm,试讨论粒子能获得的最大动能Ekm
(7)a粒子在第n次由D1盒进入D2盒与紧接着第n+1次由队盒进入队盒位置之间的距离△x;
(8)试推理说明:质子在回旋加速器中运动时,随轨道半径r的增大,同一盒中相邻轨道的半径之差△r是增大、减小还是不变?
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(0.15)
【推荐1】真空中有如图所示矩形区域,该区域总高度为2h、总宽度为4h,其中上半部分有磁感应强度为B、垂直纸面向里的水平匀强磁场,下半部分有竖直向下的匀强电场,x轴恰为水平分界线,正中心恰为坐标原点O,在x=2.5h处有一与x轴垂直的足够大的光屏(图中未画出),质量为m、电荷量为q的带负电粒子源源不断地从下边界中点P由静止开始经过匀强电场加速,通过坐标原点后射入匀强磁场中,粒子间的相互作用和粒子重力均不计。
(1)若粒子在磁场中恰好不从上边界射出,求加速电场的场强E;
(2)若加速电场的场强E为(1)中所求E的4倍,求粒子离开磁场区域处的坐标值;
(3)若将光屏向x轴正方向平移,粒子打在屏上的位置始终不改变,则加速电场的场强E′多大;粒子在电场和磁场中运动的总时间多大。
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/2016/2/23/1575825188167680/1575825188454400/STEM/5ab3fafe-726b-487f-9caf-cf2ac34d2719.png)
(1)若粒子在磁场中恰好不从上边界射出,求加速电场的场强E;
(2)若加速电场的场强E为(1)中所求E的4倍,求粒子离开磁场区域处的坐标值;
(3)若将光屏向x轴正方向平移,粒子打在屏上的位置始终不改变,则加速电场的场强E′多大;粒子在电场和磁场中运动的总时间多大。
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/2016/2/23/1575825188167680/1575825188454400/STEM/5ab3fafe-726b-487f-9caf-cf2ac34d2719.png)
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困难
(0.15)
名校
【推荐2】如图所示,在第一象限中有一匀强磁场(图中未画出),一带正电的粒子(不计重力)从y轴上A点沿x轴正向以初速度
进入匀强磁场区域,A点坐标为
,从x轴上的C点出磁场并进入第四象限的匀强电场区域,方向与x轴负向成60°角。粒子经过此电场区域后恰好垂直于y轴进入第三象限的电、磁场区域,它们的宽度都为L,其中磁感应强度为
,电场强度为
,粒子的质量为m、电荷量为q,虚线边界有电场。求:
(1)第一象限中匀强磁场的磁感应强度
的大小;
(2)粒子刚进入第三象限中的第二个磁场区域时的速度大小;
(3)整个运动过程中,粒子距离y轴最远的水平距离。
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![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/9e55f0a3ab4edbec4fd87cde65132298.png)
(1)第一象限中匀强磁场的磁感应强度
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/97c01fdc7bc471af0b264a04aef0823e.png)
(2)粒子刚进入第三象限中的第二个磁场区域时的速度大小;
(3)整个运动过程中,粒子距离y轴最远的水平距离。
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/editorImg/2024/1/2/ae638078-7ff5-4de3-b4f0-c2b15c7c52ae.png?resizew=376)
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困难
(0.15)
【推荐3】如图所示,平面直角坐标系xOy的第一象限内,下方为匀强电场,上方为匀强磁场,边界曲线满足方程y= 2x2,匀强电场的电场强度大小E= 1000 V/m,方向沿y轴正方向,磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度大小B1=1 T,第二象限中存在磁感应强度大小B2=2 T的匀强磁场,方向垂直纸面向外。现有大量相同粒子,从x轴上(x>0)由静止释放,经电场加速后进入第一象限的磁场区域,所有粒子均垂直穿过y轴进入第二象限,图中y轴上P点的坐标为(0,1 m) ,不计粒子受到的重力及粒子间的相互作用。
(1)求这种粒子的比荷
;
(2)求从第一象限进入第二象限时经过P点的所有粒子的横坐标方程;
(3)若将第二象限内的磁场方向改为垂直纸面向里,求以最大速度经过P点的粒子从x轴出发运动到P点的时间t。
(1)求这种粒子的比荷
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/9da659de03afffb155aaa89e6d1f7e70.png)
(2)求从第一象限进入第二象限时经过P点的所有粒子的横坐标方程;
(3)若将第二象限内的磁场方向改为垂直纸面向里,求以最大速度经过P点的粒子从x轴出发运动到P点的时间t。
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/2021/5/17/2723093134729216/2723802876338176/STEM/0d9c9761-b850-4b9b-acfb-96843f6f7912.png?resizew=159)
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