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如图所示为回旋加速器的示意图.它由两个铝制D型金属扁盒组成,两个D形盒正中间开有一条狭缝,两个D型盒处在匀强磁场中并接在高频交变电源上.在D1盒中心A处有离子源,它产生并发出的a粒子,经狭缝电压加速后,进入D2盒中.在磁场力的作用下运动半个圆周后,再次经狭缝电压加速.为保证粒子每次经过狭缝都被加速,设法使交变电压的周期与粒子在狭缝及磁场中运动的周期一致.如此周而复始,速度越来越大,运动半径也越来越大,最后到达D型盒的边缘,以最大速度被导出.已知a粒子电荷量为q,质量为m,加速时电极间电压大小恒为U,磁场的磁感应强度为B,D型盒的半径为R,设狭缝很窄,粒子通过狭缝的时间可以忽略不计,设a粒子从离子源发出时的初速度为零.(不计a粒子重力)求:
(1)a粒子第一次被加速后进入D2盒中时的速度大小;
(2)a粒子被加速后获得的最大动能Ek和交变电压的频率f
(3)a粒子在第n次由D1盒进入D2盒与紧接着第n+1次由D1盒进入D2盒位置之间的距离△x.

【答案】分析:(1)根据动能定理求出粒子被第一次加速后的速度.
(2)a粒子在磁场中由洛伦兹力提供向心力做匀速圆周运动,利用牛顿第二定律求出轨道的半径,当粒子的轨道半径等于D型盒的半径R时,动能最大.根据圆周运动的公式求解粒子圆周运动的频率.粒子要被不断加速,交变电压的频率f必须等于粒子圆周运动的频率.
(3)回旋加速器是利用电场加速和磁场偏转来加速粒子,根据动能定理求出n次加速后的速度,求出轨道半径,抓住规律,求出△x.
解答:解:(1)设α粒子第一次被加速后进入D2盒中时的速度大小为v1,根据动能定理有
  
解得,
(2)α粒子在D形盒内做圆周运动,轨道半径达到最大时被引出,具有最大动能.设此时的速度为v,有
 
解得:
设α粒子的最大动能为Ek,则
   Ek=
解得:Ek=
设交变电压的周期为T、频率为f,为保证粒子每次经过狭缝都被加速,带电粒子在磁场中运动一周的时间应等于交变电压的周期(在狭缝的时间极短忽略不计),则
交变电压的频率T==
由得
则交变电压的频率
(3)离子经电场第1次加速后,以速度v1进入D2盒,设轨道半径为r1
则  
离子经第2次电场加速后,以速度v2进入D1盒,设轨道半径为r2
则
离子第n次由D1盒进入D2盒,离子已经过(2n-1)次电场加速,以速度v2n-1进入D2盒,由动能定理:
  
轨道半径 
离子经第n+1次由D1盒进入D2盒,离子已经过2n次电场加速,以速度v2n进入D1盒,由动能定理:
 
轨道半径:
则△x=2(rn+1-rn)(如图所示)
解得,△x=2(=(-)
答:(1)a粒子第一次被加速后进入D2盒中时的速度大小是;
(2)a粒子被加速后获得的最大动能Ek是,交变电压的频率f是;
(3)a粒子在第n次由D1盒进入D2盒与紧接着第n+1次由D1盒进入D2盒位置之间的距离△x是(-).
点评:解决本题的关键知道回旋加强器的工作原理,利用磁场偏转,电场加速.以及知道回旋加强器加速粒子的最大动能与什么因素有关.运用数学归纳法研究规律,求解△x.
练习册系列答案
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科目:高中物理 来源: 题型:

如图所示为回旋加速器的原理示意图,其核心部分是两个靠得非常近的D形盒,两盒分别和一高频交流电源的两极相连,交流高频电源的电压为U,匀强磁场分布在两D形盒内且垂直D形盒所在平面,磁感应强度为B,在D形盒中央S点处放有粒子源.粒子源放出质量为m、带电量为q的粒子(设粒子的初速度为零)被回旋加速器加速,设D形盒的最大半径为R,则(  )

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科目:高中物理 来源: 题型:

精英家教网如图所示为回旋加速器的原理示意图,其核心部分是两个D形盒,两盒分别和一高频交流电源的两极相连,高频电源的电压为U,匀强磁场垂直D形盒平面,磁感应强度为B,在D形盒中央s点处放有粒子源.当粒子源放出质量为m、带电量为q的粒子(设粒子的初速度为0),然后被回旋加速器加速,设D形盒的最大半径为R,则(  )
A、所加高频交流电的频率应是
Bq
πm
B、所加高频交流电的频率应是
Bq
2πm
C、粒子离开加速器前被加速的次数为
B2qR2
mU
D、粒子离开加速器时的动能是
B2q2R2
2m

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科目:高中物理 来源: 题型:

精英家教网如图所示为回旋加速器的示意图.它由两个铝制D型金属扁盒组成,两个D形盒正中间开有一条狭缝,两个D型盒处在匀强磁场中并接在高频交变电源上.在D1盒中心A处有离子源,它产生并发出的a粒子,经狭缝电压加速后,进入D2盒中.在磁场力的作用下运动半个圆周后,再次经狭缝电压加速.为保证粒子每次经过狭缝都被加速,设法使交变电压的周期与粒子在狭缝及磁场中运动的周期一致.如此周而复始,速度越来越大,运动半径也越来越大,最后到达D型盒的边缘,以最大速度被导出.已知a粒子电荷量为q,质量为m,加速时电极间电压大小恒为U,磁场的磁感应强度为B,D型盒的半径为R,设狭缝很窄,粒子通过狭缝的时间可以忽略不计,设a粒子从离子源发出时的初速度为零.(不计a粒子重力)求:
(1)a粒子第一次被加速后进入D2盒中时的速度大小;
(2)a粒子被加速后获得的最大动能Ek和交变电压的频率f
(3)a粒子在第n次由D1盒进入D2盒与紧接着第n+1次由D1盒进入D2盒位置之间的距离△x.

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科目:高中物理 来源:不详 题型:单选题

如图所示为回旋加速器的原理示意图,其核心部分是两个靠得非常近的D形盒,两盒分别和一高频交流电源的两极相连,交流高频电源的电压为U,匀强磁场分布在两D形盒内且垂直D形盒所在平面,磁感应强度为B,在D形盒中央S点处放有粒子源.粒子源放出质量为m、带电量为q的粒子(设粒子的初速度为零)被回旋加速器加速,设D形盒的最大半径为R,则(  )
A.所加高频交流电的频率应是
Bq
πm
B.粒子离开加速器的动能是
B2q2R2
m
C.粒子离开加速器前被加速的次数为
B2q2R2
mU
D.粒子在回旋加速器中运动的时间为
πBR2
2U
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