Question

9．勞倫斯和利文斯設(shè)計(jì)出回旋加速器，工作原理示意圖如圖所示．置于高真空中的D形金屬盒半徑為R，兩盒間的狹縫很小，帶電粒子穿過的時(shí)間可忽略．磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與盒面垂直，高頻交流電頻率為f，加速電壓為U．若A處粒子源產(chǎn)生的質(zhì)子質(zhì)量為m、電荷量為+q，在加速器中被加速，且加速過程中不考慮相對(duì)論效應(yīng)和重力的影響．則（　　）

• A． 質(zhì)子被加速后的最大速度不可能超過2πRf
• B． 質(zhì)子離開回旋加速器時(shí)的最大動(dòng)能與加速電壓U成正比
• C． 質(zhì)子第2次和第1次經(jīng)過兩D形盒間狹縫后軌道半徑之比為1：2
• D． 不改變磁感應(yīng)強(qiáng)度B和交流電頻率f，該回旋加速器也能用于氫原子加速

Answer 1

分析 回旋加速器運(yùn)用電場(chǎng)加速磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)來(lái)加速粒子，根據(jù)洛倫茲力提供向心力可以求出粒子的最大速度，從而求出最大動(dòng)能．在加速粒子的過程中，電場(chǎng)的變化周期與粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期相等．

解答 解：A、質(zhì)子出回旋加速器的速度最大，此時(shí)的半徑為R，則v=$\frac{2πR}{T}$=2πRf．所以最大速度不超過2πfR．故A正確．
B、根據(jù)qvB=m$\frac{v^{2}}{R}$，知v=$\frac{qBR}{m}$，則最大動(dòng)能E_Km=$\frac{1}{2}$mv²=$\frac{q^{2}B^{2}R^{2}}{2m}$．與加速的電壓無(wú)關(guān)．故B錯(cuò)誤．
C、粒子在加速電場(chǎng)中做勻加速運(yùn)動(dòng)，在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)v=$\sqrt{2ax}$知，質(zhì)子第二次和第一次經(jīng)過D形盒狹縫的速度比為$\sqrt{2}$：1，根據(jù)r=$\frac{mv}{qB}$，則半徑比為$\sqrt{2}$：1．故C錯(cuò)誤．
D、帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期與加速電場(chǎng)的周期相等，根據(jù)T=$\frac{2πm}{qB}$知，換用氫原子，粒子的比荷變化，周期變化，回旋加速器必須改變交流電的頻率才能加速氫原子．故D錯(cuò)誤．
故選：A．

點(diǎn)評(píng) 解決本題的關(guān)鍵知道回旋加速器電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用，知道最大動(dòng)能與什么因素有關(guān)，以及知道粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期與電場(chǎng)的變化的周期相等才能完成加速過程．