高中 | 带电粒子在圆边界匀强磁场中的运动 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动

带电粒子在圆边界匀强磁场中的运动

$2025$$5$$1$日,全球首个实现“聚变能发电演示”的紧凑型全超导托卡马克核聚变实验装置($BEST$)在我国正式启动总装。如图是托卡马克环形容器中磁场截面的简化示意图,两个同心圆围成的环形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为$B$,内圆半径为$R_{0}$。在内圆上$A$点有$a$$b$$c$三个粒子均在纸面内运动,并都恰好到达磁场外边界后返回。已知$a$$b$$c$带正电且比荷均为$\dfrac{q}{m}$$a$粒子的速度大小为$v_{a}=\dfrac{qBR_{0}}{m}$,方向沿同心圆的径向;$b$$c$粒子速度方向相反且与$a$粒子的速度方向垂直。不考虑带电粒子所受的重力和相互作用。下列说法正确的是$(\qquad)$

["

外圆半径等于$2R_{0}$

","

$a$粒子返回$A$点所用的最短时间为$\\dfrac{(3\\pi+2)m}{qB}$

","

$b$$c$粒子返回$A$点所用的最短时间之比为$\\dfrac{\\sqrt{2}}{\\sqrt{2}+2}$

","

$c$粒子的速度大小为$\\dfrac{\\sqrt{2}}{2}v_{a}$

"]
[["BD"]]

由题意,作出$a$粒子运动轨迹图,如图所示

$a$粒子恰好到达磁场外边界后返回,$a$粒子运动的圆周正好与磁场外边界,然后沿径向做匀速直线运动,再做匀速圆周运动恰好回到$A$点,

根据$a$粒子的速度大小为$v_{a}=\dfrac{qBR_{0}}{m}$

可得$R_{a}=R_{0}$

设外圆半径等于$R^{^\prime}$,由几何关系得$∠AO'B=270^{\circ}$

$R'=R_{0}+\sqrt{2}R_{0}$

$\rm A$错误;

$\rm B$.由$\rm A$项分析,$a$粒子返回$A$点所用的最短时间为第一次回到$A$点的时间$t_{\min}$

$a$粒子做匀速圆周运动的周期$T=\dfrac{2\pi R_{0}}{v_{a}}=\dfrac{2\pi m}{qB}$

在磁场中运动的时间$t_{1}=\dfrac{540{^\circ}}{360{^\circ}} \cdot T=\dfrac{3\pi m}{qB}$

匀速直线运动的时间$t_{2}=\dfrac{2R_{0}}{v_{a}}=\dfrac{2m}{qB}$

$a$粒子返回$A$点所用的最短时间为$t_{\min}=t_{1}+t_{2}=\dfrac{(3\pi+2)m}{qB}$

$\rm B$正确;

$\rm C$.由题意,作出$b、c$粒子运动轨迹图,如图所示

因为$b$$c$粒子返回$A$点都是运动一个圆周,根据$b$$c$带正电且比荷均为$\dfrac{q}{m}$,所以两粒子做圆周运动周期相同,故所用的最短时间之比为$1:1$$\rm C$错误;

$\rm D$.由几何关系得$2R_{c}=\sqrt{2}R_{0}$

洛伦兹力提供向心力有$qv_{c}B=\dfrac{mv_{c}^{2}}{R_{c}}$

联立解得$v_{c}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}v_{a}$

$\rm D$正确。

故选:$\rm BD$

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如图所示,一对长栅极板(粒子可自由穿过)水平放置,极板平行处间距为且可看成匀强电场,极板外存在方向垂直纸面向外、磁感应强度大小为的匀强磁场,极板与可调稳压电源相连,正极板上点处的一粒子源垂直极板向上连续发射速度为(大小未知)的粒子,粒子的质量为、电荷量为,点位于点正上方,弧为半圆,其半径为,点位于圆弧最上方,的长度也为,在点处放置一粒子靶(忽略靶的大小),用于接收从上方打入的粒子。现有一薄挡板与半圆完全重合,薄挡板可吸收打中的粒子,当电源电压时,粒子正好打中点,忽略栅极的电场边缘效应、粒子间的相互作用,不计粒子所受的重力和阻力。 某“太空粒子探测器”是由加速、偏转和收集三部分装置组成,其原理可如图所示简化,第三象限内沿半径方向的加速电场区域边界、为两个同心半圆弧面,圆心为,两半圆弧面间电势差为;第二象限内紧靠上方有一垂直于纸面的圆形匀强磁场区域,圆心为,半径为;第一象限有一与连线平行的足够长的收集板。假设太空中漂浮着质量为,电荷量为的带正电粒子,它们能均匀地吸附到圆弧面上,并被加速电场从静止开始加速到圆弧面上,再由点进入磁场偏转,并最终到达板被收集。其中沿连线方向入射的粒子经磁场偏转后恰好从圆心的正右方点射出磁场。不计粒子的重力及粒子之间的相互作用。求: 利用磁偏转系统可以测量不同核反应中释放的高能粒子能量,从而研究原子核结构。如图所示,用回旋加速器使氘原子核()获得动能,让其在处撞击铝()核发生核反应,产生处于某一激发态和基态的同位素核()以及两种不同能量的质子()。产生的质子束经狭缝沿水平直径方向射入半径为,方向垂直纸面向里、大小为的圆形匀强磁场区域,经偏转后打在位于磁场上方的探测板上、处(探测板与磁场边界相切于点,点与磁场圆心处在同一竖直线上),获得如图所示的质子动能的能谱图。 如图所示,竖直平面内固定一直角坐标系,在轴上水平固定光滑绝缘轨道,在第二象限存在垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为,在第一象限存在竖直方向的匀强电场。质量为、电荷母为的带电小球,在水平向右的外力作用下运动,到点时恰好对轨道无压力地进入第一象限,此时撤除外力,要使小球进入第一象限后速度方向偏转再做匀速直线运动,必须在适当区域加上垂直纸面向外的匀强磁场Ⅱ,磁感应强度大小为。重力加速度为。
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