高考物理一輪復(fù)習(xí)：回旋加速器強化訓(xùn)練

答案第=page1313頁，總=sectionpages1313頁答案第=page1414頁，總=sectionpages11頁回旋加速器強化訓(xùn)練1．回旋加速器的工作原理如圖所示，置于高真空中的D形金屬盒半徑為R，兩盒間的狹縫很小，帶電粒子穿過的時間可以忽略不計，磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場與盒面垂直，A處粒子源產(chǎn)生質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子，在加速電壓為U的加速電場中被加速，所加磁場的磁感應(yīng)強度、加速電場的頻率可調(diào)，磁場的磁感應(yīng)強度最大值為Bm和加速電場頻率的最大值fm。則下列說法正確的是（）A．粒子獲得的最大動能與加速電壓無關(guān)B．粒子第n次和第n+1次進入磁場的半徑之比為C．粒子從靜止開始加速到出口處所需的時間為D．若，則粒子獲得的最大動能為2．如圖為一種改進后的回旋加速器示意圖，其中盒縫間的加速電場場強大小恒定，且被限制在AC板間，虛線中間不需加電場，如圖所示，帶電粒子從P0處以速度v0沿電場線方向射入加速電場，經(jīng)加速后再進入D形盒中的勻強磁場做勻速圓周運動，對這種改進后的回旋加速器，下列說法正確的是()A．加速粒子的最大速度與D形盒的尺寸無關(guān)B．帶電粒子每運動一周被加速一次C．帶電粒子每運動一周P1P2等于P2P3D．加速電場方向不需要做周期性的變化3．1930年勞倫斯制成了世界上第一臺回旋加速器，其原理如圖所示，這臺加速器由兩個銅質(zhì)D形合D1、D2構(gòu)成，其間留有空隙，下列說法正確的是A．離子由加速器的中心附近進入加速器B．離子由加速器的邊緣進入加速器C．離子從磁場中獲得能量D．離子從電場中獲得能量4．如圖所示，回旋加速器置于高真空中，D形金屬盒半徑為R，兩盒間的狹縫很小，帶電粒子穿過的時間可以忽略不計。磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場與盒面垂直。A處粒子源產(chǎn)生質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子，在加速電壓為U的加速電場中被加速。所加磁場的磁感應(yīng)強度、加速電場的頻率可調(diào)，磁場的磁感應(yīng)強度最大值為Bm，加速電場頻率的最大值fm。下列說法正確的是（）A．粒子第n次和第n+1次加速后的半徑之比是（）B．粒子從靜止開始加速到出口處所需的時間為C．若fm<，則粒子獲得的最大動能為D．若fm>，則粒子獲得的最大動能為5．1922年英國物理學(xué)家阿斯頓因質(zhì)譜儀的發(fā)明、同位素和質(zhì)譜的研究榮獲了諾貝爾化學(xué)獎．若一束粒子由左端射入質(zhì)譜儀后的運動軌跡如圖所示，則下列說法中正確（）A．該束帶電粒子帶正電B．速度選擇器的P1極板帶負電C．在B2磁場中運動半徑越大的粒子，質(zhì)量越大D．在B2磁場中運動半徑越大的粒子，比荷越小6．粒子回旋加速器的工作原理如圖所示，置于真空中的D型金屬盒的半徑為R，兩金屬盒間的狹縫很小，磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場與金屬盒盒面垂直，高頻率交流電的頻率為f，加速器的電壓為U，若中心粒子源處產(chǎn)生的質(zhì)子質(zhì)量為m，電荷量為+e，在加速器中被加速．不考慮相對論效應(yīng)，則下列說法正確是A．質(zhì)子被加速后的最大速度不能超過2πRfB．加速的質(zhì)子獲得的最大動能隨加速電場U增大而增大C．質(zhì)子第二次和第一次經(jīng)過D型盒間狹縫后軌道半徑之比為D．不改變磁感應(yīng)強度B和交流電的頻率f，該加速器也可加速粒子7．回旋加速器是用來加速帶電粒子的裝置，如圖所示。它的核心部分是兩個D形金屬盒，兩盒相距很近，a、b接在電壓為U、周期為T的交流電源上。兩盒間的窄縫中形成勻強電場，兩盒放在勻強磁場中，磁場方向垂直于盒底面。帶電粒子在磁場中做圓周運動，通過兩盒間的窄縫時被加速，直到達到最大圓周半徑時通過特殊裝置被引出。設(shè)D形盒的半徑為R，現(xiàn)將垂直于金屬D形盒的磁場感應(yīng)強度調(diào)節(jié)為B。，剛好可以對氚核()進行加速，氚核所能獲得的能量為，以后保持交流電源的周期T不變。(已知氚核和α粒子質(zhì)量比為3：4，電荷量之比為1：2)則：A．若只增大交變電壓U，則氚核在回旋加速器中運行時間不會發(fā)生變化B．若用該裝置加速α粒子，應(yīng)將磁場的磁感應(yīng)強度大小調(diào)整為C．將磁感應(yīng)強度調(diào)整后對α粒子進行加速，a粒子在加速器中獲得的能量等于氚核的能量D．將磁感應(yīng)強度調(diào)整后對α粒子進行加速，粒子在加速器中加速的次數(shù)小于氚核的次數(shù)8．如圖所示為回旋加速器的示意圖．兩個靠得很近的D形金屬盒處在與盒面垂直的勻強磁場中，一質(zhì)子從加速器的A處開始加速．已知D型盒的半徑為R，磁場的磁感應(yīng)強度為B，高頻交變電源的電壓為U、頻率為f，質(zhì)子質(zhì)量為m，電荷量為q．下列說法錯誤的是（）A．質(zhì)子的最大速度不超過2πRfB．質(zhì)子的最大動能為C．質(zhì)子的最大動能與高頻交變電源的電壓U無關(guān)D．質(zhì)子的最大動能與高頻交變電源的電壓U有關(guān)，且隨電壓U增大而增加9．回旋加速器在現(xiàn)代醫(yī)藥中有廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用質(zhì)子回旋加速器可以生產(chǎn)各種放射性同位素．下圖是一種質(zhì)子回旋加速器的示意圖，磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場垂直于D形盒的底面，高頻正弦交流電的電源分別與兩D形盒連接，質(zhì)子的質(zhì)量為m，電量為e，則下列說法正確的是（）A．質(zhì)子在磁場中轉(zhuǎn)動的半徑越大，做圓周運動的周期越大B．正弦交流電壓的最大值越大，質(zhì)子被加速后獲得的動能越大C．正弦交流電的周期應(yīng)為D．正弦交流電壓的最大值越大，質(zhì)子在D形盒中運動的時間越短10．如圖所示為一種獲得高能粒子的裝置環(huán)形加速器，環(huán)形區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向外的勻強磁場，質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子在環(huán)中做半徑為R的圓周運動，A、B為兩塊中心開有小孔的極板，原來電勢都為零，每當(dāng)粒子飛經(jīng)A板時，A板電勢升高為+U，B板電勢仍保持為零，粒子在兩極板間的電場中加速，每當(dāng)粒子離開電場區(qū)域時，A板電勢又降為零，粒子在電場一次次加速下動能不斷增大，而在環(huán)形區(qū)域內(nèi)繞半徑不變（設(shè)極板間距遠小于R），粒子重力不計，下列關(guān)于環(huán)形加速器的說法中正確的是A．加速器對帶正電粒子順時針加速，對待負電粒子加速需要升高B板電勢B．電勢U越高，粒子最終的速度就越大C．環(huán)形區(qū)域內(nèi)的磁感應(yīng)強度大小與加速次數(shù)n之間的關(guān)系為D．粒子每次繞行一圈所需的時間與加速次數(shù)n之間的關(guān)系為11．如圖所示為回旋加速器示意圖，利用回旋加速器對粒子進行加速，此時D形盒中的磁場的磁感應(yīng)強度大小為B，D形盒縫隙間電場變化周期為T．忽略粒子在D形盒縫隙間的運動時間和相對論效應(yīng)，下列說法正確的是A．保持B和T不變，該回旋加速器可以加速質(zhì)子B．僅調(diào)整磁場的磁感應(yīng)強度大小為B，該回旋加速器仍可以加速粒子C．保持B和T不變，該回旋加速器可以加速粒子，且在回旋加速器中運動的時間與粒子的相等D．保持B和T不變，該回旋加速器可以加速粒子，加速后的最大動能與粒子的相等12．回旋加速器的工作原理如圖所示：D1和D2是兩個中空的半圓金屬盒，它們之間有一定的電勢差.A處的粒子源產(chǎn)生的α粒子在兩盒之間被電場加速，兩個半圓盒處于垂直于盒面的勻強磁場中．α粒子進入半圓金屬盒內(nèi)做勻速圓周運動．若忽略α粒子在電場中的加速時間且不考慮相對論效應(yīng)，則下列說法正確的是A．α粒子在磁場中回轉(zhuǎn)一周運動的周期越來越小B．α粒子在磁場中回轉(zhuǎn)一周運動的周期越來越大C．僅增大兩盒間的電勢差，α粒子離開加速器時的動能增大D．僅增大金屬盒的半徑，α粒子離開加速器時的動能增大13．物理研究中，粒子回旋加速器起著重要作用，下左圖為它的示意圖．它由兩個鋁制的D形盒組成，兩個D形盒正中間開有一條狹縫．兩個D形盒處在勻強磁場中并接有高頻交變電壓．右圖為俯視圖，在D形盒上半面中心S處有一正粒子源，它發(fā)出的正粒子，經(jīng)狹縫電壓加速后，進入D形盒中．在磁場力的作用下運動半周，再經(jīng)狹縫電壓加速．如此周而復(fù)始，最后到達D形盒的邊緣，獲得最大速度，由導(dǎo)出裝置導(dǎo)出．己知正離子電荷量為q，質(zhì)量為m，加速時電極間電壓大小為U，磁場的磁感應(yīng)強度大小為B，D形盒的半徑為R．每次加速的時間極短，可忽略不計．正粒子從離子源出發(fā)時的初速度為零，不計粒子所受重力．則（）A．高頻交變電壓變化的周期為B．粒子可能獲得的最大動能為C．粒子第1次與第n次在下半盒中運動的軌道半徑之比為D．粒子在回旋加速器中的總的時間為14．如圖所示為回旋加速器的示意圖．兩個靠得很近的D形金屬盒處在與盒面垂直的勻強磁場中，一質(zhì)子從加速器的A處開始加速．已知D型盒的半徑為R，磁場的磁感應(yīng)強度為B，高頻交變電源的電壓為U、頻率為f，質(zhì)子質(zhì)量為m，電荷量為q．下列說法不正確的是（）A．質(zhì)子的最大速度不超過2RfB．質(zhì)子的最大動能為C．高頻交變電源的頻率D．質(zhì)子的最大動能與高頻交變電源的電壓U有關(guān)，且隨電壓U增大而增加15．1932年美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，巧妙地利用帶電粒子在磁場中的運動特點，解決了粒子的加速問題．現(xiàn)在回旋加速器被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)設(shè)備中．某型號的回旋加速器的工作原理如圖甲所示，圖乙為俯視圖．回旋加速器的核心部分為兩個D形盒，分別為D1、D2．D形盒裝在真空容器里，整個裝置放在巨大的電磁鐵兩極之間的強大磁場中，磁場可以認為是勻強磁場，且與D形盒底面垂直．兩盒間的狹縫很小，帶電粒子穿過的時間可以忽略不計．D形盒的半徑為R，磁場的磁感應(yīng)強度為B．設(shè)質(zhì)子從粒子源A處進入加速電場的初速度不計．質(zhì)子質(zhì)量為m、電荷量為+q．加速器接入一定頻率的高頻交變電源，加速電壓為U．加速過程中不考慮相對論效應(yīng)和重力作用．求：（1）質(zhì)子第一次經(jīng)過狹縫被加速后進入D2盒時的速度大小v1和進入D2盒后運動的軌道半徑r1；（2）質(zhì)子被加速后獲得的最大動能Ek和交變電壓的頻率f；（3）若兩D形盒狹縫之間距離為d，且d<<R．計算質(zhì)子在電場中運動的總時間t1與在磁場中運動總時間t2，并由此說明質(zhì)子穿過電場時間可以忽略不計的原因．16．如圖所示為回旋加速器的結(jié)構(gòu)示意圖，勻強磁場的方向垂直于半圓型且中空的金屬盒D1和D2，磁感應(yīng)強度為R，金屬盒的半徑為R，兩盒之間有一狹縫，其間距為d，且，兩盒間電壓為U.A處的粒子源可釋放初速度不計的帶電粒子，粒子在兩盒之間被加速后進入D1盒中，經(jīng)半個圓周之后再次到達兩盒間的狹縫．通過電源正負極的交替變化，可使帶電粒子經(jīng)兩盒間電場多次加速后獲得足夠高的能量.已知帶電粒子的質(zhì)量為m、電荷量為+q.(1)不考慮加速過程中的相對論效應(yīng)和重力的影響.①求粒子可獲得的最大速度vm；②若粒子第1次進入D1盒在其中的軌道半徑為r1，粒子第1次進入D2盒在其中的軌道半徑為r2，求r1與r2之比.(2)根據(jù)回旋加速器的工作原理，請通過計算對以下兩個問題進行分析：①在上述不考慮相對論效應(yīng)和重力影響的情況下，計算粒子在回旋加速器中運動的時間時，為何常常忽略粒子通過兩盒間狹縫的時間，而只考慮粒子在磁場中做圓周運動的時間；②實驗發(fā)現(xiàn)：通過該回旋加速器，加速的帶電粒子能量達到25~30MeV后，就很難再加速了．這是由于速度足夠大時，相對論效應(yīng)開始顯現(xiàn)，粒子的質(zhì)量隨著速度的增加而增大．結(jié)合這一現(xiàn)象，分析在粒子獲得較高能量后，為何加速器不能繼續(xù)使粒子加速了．17．回旋加速器在核科學(xué)、核技術(shù)、核醫(yī)學(xué)等高新技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，有力地推動了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展．回旋加速器的原理如圖，D1和D2是兩個中空的半徑為R的半圓金屬盒，它們接在電壓一定、頻率為f的交流電源上，取粒子在磁場中運動的周期與交流電的周期相同．位于D1圓心處的質(zhì)子源A能不斷產(chǎn)生質(zhì)子（初速度可以忽略，重力不計），它們在兩盒之間被電場加速，D1、D2置于與盒面垂直的磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中．若輸出時質(zhì)子束的等效電流為I.（忽略質(zhì)子在電場中的加速時間及質(zhì)子的最大速度遠遠小于光速）(1)寫出質(zhì)子在該回旋加速器中運動的周期及質(zhì)子的比荷(2)求質(zhì)子束從回旋加速器輸出時的平均功率為P.(3)若使用此回旋加速器加速氘核，要想使氘核獲得與質(zhì)子相同的最大動能，請分析此時磁感應(yīng)強度應(yīng)該如何變化，并寫出計算過程．18．回旋加速器的工作原理如圖甲所示，置于真空中的D形金屬盒半徑為R，兩盒間狹縫的間距為d，磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場與盒面垂直，被加速粒子的質(zhì)量為m，電荷量為＋q，加在狹縫間的交變電壓如圖乙所示，電壓值的大小為U0.周期T＝.一束該種粒子在t＝0～時間內(nèi)從A處均勻地飄入狹縫，其初速度視為零．現(xiàn)考慮粒子在狹縫中的運動時間，假設(shè)能夠出射的粒子每次經(jīng)過狹縫均做加速運動，不考慮粒子間的相互作用．求：(1)出射粒子的動能Em；(2)粒子從飄入狹縫至動能達到Em所需的總時間t0；(3)要使飄入狹縫的粒子中有超過99%能射出，d應(yīng)滿足的條件．19．如圖所示，以兩虛線為邊界，中間存在平行紙面且與邊界垂直的水平電場，寬度為，兩側(cè)為相同的勻強磁場，方向垂直紙面向里．一質(zhì)量為、帶電量、重力不計的帶電粒子，以初速度垂直邊界射入磁場做勻速圓周運動，后進入電場做勻加速運動，然后第二次進入磁場中運動，此后粒子在電場和磁場中交替運動．已知粒子第二次在磁場中運動的半徑是第一次的二倍，第三次是第一次的三倍，以此類推．求：（1）粒子第一次經(jīng)過電場的過程中電場力所做的功（2）粒子第次經(jīng)過電場時電場強度的大小（3）粒子第次經(jīng)過電場所用的時間（4）假設(shè)粒子在磁場中運動時，電場區(qū)域場強為零．請畫出從粒子第一次射入磁場至第三次離開電場的過程中，電場強度隨時間變化的關(guān)系圖線（不要求寫出推導(dǎo)過程，不要求標(biāo)明坐標(biāo)刻度值）．20．回旋加速器原理如圖所示，D1和D2是兩個中空的半圓形金屬盒，置于與盒面垂直的勻強