高中 | 动能定理的理解与一般应用 题目答案及解析

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必修2

第七章 机械能守恒定律

7.7 动能和动能定理

动能定理的理解与一般应用

回旋加速器广泛应用于高能物理研究、医学诊疗等领域,其结构如图甲,置于真空中半径为$R$的两$D$形金属盒$D_{1}$$D_{2}$的圆心分别为$O_{1}$$O_{2}$,盒内的匀强磁场与盒面垂直,磁感应强度的大小均为$B$,加在狭缝上下边界间的交变电压$u_{ab}$的变化规律如图乙所示,已知$T=\dfrac{2\pi m}{qB}$$t=0$时刻,在$O_{1}$点由静止释放质量为$m$、电荷量为$+q$的氕$\rm(_{1}^{1}H)$粒子,经多次加速后出射,忽略带电粒子穿过狭缝的时间,不计粒子重力及相对论效应。下列说法正确的是$(\qquad)$

["

氕粒子出射时获得的最大动能为$\\dfrac{q^{2}B^{2}R^{2}}{2m}$

","

氕粒子第$2$次与第$4$次加速后,刚进入$D_{1}$时的位置间距离为$\\dfrac{\\sqrt{6}-2}{B}\\sqrt{\\dfrac{mU}{q}}$

","

氕粒子在回旋加速器中加速的次数为$\\dfrac{\\pi m}{eB}$

","

$t=0$时将质量为$3m$、电荷量为$+2q$的粒子由$O_{1}$点释放后,只能被加速$2$

"]
[["AD"]]

$\rm A$.粒子圆周运动的最大半径是$R$,根据$qv_{\rm{m}}B=m\dfrac{v_{\rm{m}}^{2}}{R}$

解得最大动能为$E_{\rm{km}}=\dfrac{1}{2}mv_{\rm{m}}^{2}=\dfrac{q^{2}B^{2}R^{2}}{2m}$$\rm A$正确;

$\rm B$.第$n$次加速后由$nqU=\dfrac{1}{2}mv_{n}^{2}$$qv_{n}B=m\dfrac{v_{n}^{2}}{r_{n}}$

$r_{n}=\dfrac{1}{B}\sqrt{\dfrac{2nmU}{q}}$。如图$1$,粒子圆周运动的圆心不重合,第$2$次与第$4$次加速后,刚进入$D_{1}$时的位置间的距离$x=2r_{3}-2r_{2}=\dfrac{2(\sqrt{6}-2)}{B}\sqrt{\dfrac{mU}{q}}$$\rm B$错误;

$\rm C$.对质子,由动能定理得$neU=\dfrac{1}{2}mv^{2}-0$

解得$n=\dfrac{eB^{2}R^{2}}{2mU}$$\rm C$错误;

$\rm D$.质量为$3m$、电荷量为$+2q$的粒子匀速圆周运动的周期为${T''}_{B}=\dfrac{3\pi m}{qB}=\dfrac{3}{2}T$

如图$2$$t=0$时第$1$次被加速,$t=\dfrac{{T''}_{B}}{2}=\dfrac{3T}{4}$时,第$2$次被加速,$t={T'}_{B}=\dfrac{3T}{2}$时,电场方向没有发生变化,粒子第$3$次通过狭缝时将做减速运动,$\rm D$正确。

故选:$\rm AD$

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