稿件来源:高途
高中 | 洛伦兹力题目答案及解析如下,仅供参考!
选修3-1
第三章 磁场
3.5 运动电荷在磁场中受到的力
洛伦兹力
回旋加速器是加速带电粒子的装置,如图所示其核心部件是分别与高频交流电源两极相连接的两个$D$形金属盒($D_{1}$、$D_{2}$),两盒间的狭缝中形成周期性变化的电场,使粒子在通过狭缝时都能得到加速,两$D$形金属盒处于垂直于盒底的匀强磁场中,$D$形盒的半径为$R$.质量为$m$、电荷量为$e$的质子从$D_{1}$半盒的质子源($A$点)由静止释放,质子在加速电压为$U$的电场中加速,加速到最大动能$E_{km}$后经粒子出口处射出,此时$D$形盒中的磁场的磁感应强度大小为$B$,$D$形盒缝隙间电场变化周期为$T$。若忽略质子在电场中的加速时间,不考虑相对论效应,且不计质子重力,则下列说法正确的是$(\qquad)$
带电粒子在磁场中运动时,受到的洛伦兹力不做功,因此带电粒子从$D$形盒射出时的最大动能与磁场的强弱无关
","用回旋加速器加速氘核$\\rm _{1}^{2}H$和氦核$\\rm _{2}^{4}He$的磁感应强度大小相等
","$D_{2}$盒内质子的轨道半径由小到大之比为$1:\\sqrt{2}:\\sqrt{3}: \\cdots$
","质子在磁场中运动的总时间为$\\dfrac{\\pi BR^{2}}{U}$
"]$\rm A$.带电粒子在回旋加速器中做圆周运动,洛伦兹力提供向心力,有$qvB=m\dfrac{v^{2}}{r}$
则$v=\dfrac{qBr}{m}$
当$r=R$时,质子有最大动能$E_{{km}}=\dfrac{1}{2}mv_{{m}}^{2}=\dfrac{q^{2}B^{2}R^{2}}{2m}$
可知带电粒子从$D$形盒射出时的最大动能与磁场的强弱有关,故$\rm A$错误;
$\rm B$.为了使得粒子在回旋加速器中正常加速,粒子在磁场中匀速圆周运动的周期与交变电流的周期应相等,即$T=\dfrac{2\pi m}{qB}$
由于氚核($\rm _{1}^{2}H$)和氦核($\rm _{2}^{4}He$)的比荷相等,则氚核($\rm _{1}^{2}H$)和氦核($\rm _{2}^{4}He$)运动过程所加磁场的磁感应强度相等,即加速氚核($\rm _{1}^{2}H$)和氦核($\rm _{2}^{4}He$)的磁感应强度大小相等,故$\rm B$正确;
$\rm C$.质子每经过$1$次加速电场动能增大$eU$,知$D_{2}$盒内质子的动能由小到大依次为$eU$、$3eU$、$5eU\cdots$,又$r=\dfrac{mv}{eB}=\dfrac{\sqrt{2mE_{{k}}}}{eB}$
则半径由小到大之比为$1:\sqrt{3}:\sqrt{5}:\cdots$,故$\rm C$错误;
$\rm D$.设在电场中加速的次数为$n$,根据动能定理$neU=\dfrac{1}{2}mv^{2}$
在电场中加速一次后,在磁场中运动半圈,在磁场中运动半圈的时间$t_{0}=\dfrac{T}{2}=\dfrac{\pi m}{eB}$
质子在磁场中运动的总时间$t'=nt_{0}=\dfrac{eB^{2}R^{2}}{2mU} \cdot \dfrac{\pi m}{eB}=\dfrac{\pi BR^{2}}{2U}$
$\rm D$错误;
故选:$\rm B$。
高中 | 洛伦兹力题目答案及解析(完整版)