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1、“带电粒子在磁场中的圆周运动”的多解型问题1.（09年全国卷）26（21分）如图，在x轴下方有匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直于x y平面向外。P是y轴上距原点为h的一点，N0为x轴上距原点为a的一点。A是一块平行于x轴的挡板，与x轴的距离为，A的中点在y轴上，长度略小于。带点粒子与挡板碰撞前后，x方向的分速度不变，y方向的分速度反向、大小不变。质量为m，电荷量为q（q0）的粒子从P点瞄准N0点入射，最后又通过P点。不计重力。求粒子入射速度的所有可能值。2.（2011天津）（20分）回旋加速器在核科学、核技术、核医学等高新技术领域得到了广泛应用，有力地推动了现代科学技术的发展。（1）当今
2、医学成像诊断设备PET/CT堪称“现代医学高科技之冠”，它在医疗诊断中，常利用能放射电子的同位素碳11为示踪原子，碳11是由小型回旋加速器输出的高速质子轰击氮14获得，同时还产生另一粒子，试写出核反应方程。若碳11的半衰期为20min，经2.0h剩余碳11的质量占原来的百分之几？（结果取2位有效数字）（2）回旋加速器的原理如图，D1和D2是两个中空的半径为R的半圆金属盒，它们接在电压一定、频率为f的交流电源上，位于D1圆心处的质子源A能不断产生质子（初速度可以忽略，重力不计），它们在两盒之间被电场加速，D1、D2置于与盒面垂直的磁感应强度为B的匀强磁场中。若质子束从回旋加速器输出时的平均功率为
3、P，求输出时质子束的等效电流I与P、B、R、f的关系式（忽略质子在电场中运动的时间，其最大速度远小于光速）（3）试推理说明：质子在回旋加速器中运动时，随轨道半径r的增大，同一盒中相邻轨道的半径之差是增大、减小还是不变？1.（09年全国卷）26（21分）如图，在x轴下方有匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直于x y平面向外。P是y轴上距原点为h的一点，N0为x轴上距原点为a的一点。A是一块平行于x轴的挡板，与x轴的距离为，A的中点在y轴上，长度略小于。带点粒子与挡板碰撞前后，x方向的分速度不变，y方向的分速度反向、大小不变。质量为m，电荷量为q（q0）的粒子从P点瞄准N0点入射，最后又通过P点
4、。不计重力。求粒子入射速度的所有可能值。解析：设粒子的入射速度为v,第一次射出磁场的点为,与板碰撞后再次进入磁场的位置为.粒子在磁场中运动的轨道半径为R,有粒子速率不变,每次进入磁场与射出磁场位置间距离保持不变有粒子射出磁场与下一次进入磁场位置间的距离始终不变,与相等.由图可以看出设粒子最终离开磁场时,与档板相碰n次(n=0、1、2、3).若粒子能回到P点,由对称性,出射点的x坐标应为-a,即由两式得若粒子与挡板发生碰撞,有联立得nrk+1），在相应轨道上质子对应的速度大小分别为vk，vk+1，D1、D2之间的电压为U，由动能定理知由洛伦兹力充当质子做圆周运动的向心力，知，则整理得 因U、q、
5、m、B均为定值，令，由上式得相邻轨道半径rk+1，rk+2之差同理 因为rk+2 rk，比较，得说明随轨道半径r的增大，同一盒中相邻轨道的半径之差减小方法二：设k（kN*）为同一盒子中质子运动轨道半径的序数，相邻的轨道半径分别为rk，rk+1（rkrk+1），在相应轨道上质子对应的速度大小分别为vk，vk+1，D1、D2之间的电压为U由洛伦兹力充当质子做圆周运动的向心力，知，故由动能定理知，质子每加速一次，其动能增量以质子在D2盒中运动为例，第k次进入D2时，被电场加速（2k1）次速度大小为同理，质子第（k+1）次进入D2时，速度大小为综合上述各式可得整理得，同理，对于相邻轨道半径rk+1，r
6、k+2，整理后有由于rk+2 rk，比较，得说明随轨道半径r的增大，同一盒中相邻轨道的半径之差减小，用同样的方法也可得到质子在D1盒中运动时具有相同的结论。36、如图所示的直角坐标系中，在直线x=2l0到y轴区域内存在着两个大小相等、方向相反的有界匀强电场，其中x轴上方的电场方向沿y轴负方向，x轴下方的电场方向沿y轴正方向。在电场左边界上A（2l0，l0）到C（2l0，0）区域内，连续分布着电量为q、质量为m的粒子。从某时刻起由A点到C点间的粒子，依次连续以相同的速度v0沿x轴正方向射入电场。若从A点射入的粒子，恰好从y轴上的A（0，l0）沿x轴正方向射出电场，其轨迹如图。不计粒子的重力及它们
7、间的相互作用。求匀强电场的电场强度E；求在AC间还有哪些位置的粒子，通过电场后也能沿x轴正方向运动？AOxyv0v0EECAx=2l0Cx=2l0若以直线x=2l0上的某点为圆心的圆形区域内，分布着垂直于xOy平面向里的匀强磁场，使沿x轴正方向射出电场的粒子，经磁场偏转后，都能通过直线x=2l0与圆形磁场边界的一个交点处，而便于被收集，则磁场区域的最小半径是多大？相应的磁感应强度B是多大？ 16（14分） 从A点射出的粒子，由A到A的运动时间为T，根据运动轨迹和对称性可得 x轴方向 (1分) y轴方向 (1分) 得： （2分） 设到C点距离为y处射出的粒子通过电场后也沿x轴正方向，粒子第一次达
8、x轴用时t，水平位移为x，则 （1分）若满足，则从电场射出时的速度方向也将沿x轴正方向 （2分）解之得： （2分）即AC间y坐标为 （n = 1，2，3，） （1分） 当n=1时，粒子射出的坐标为当n=2时，粒子射出的坐标为当n3时，沿x轴正方向射出的粒子分布在y1到y2之间（如图）y1到y2之间的距离为L= y1y2= 则磁场的最小半径为 （2分）AOxyv0EECAx=2l0Cx=2l0O1O2PQ若使粒子经磁场偏转后汇聚于一点，粒子的运动半径与磁场圆的半径相等（如图），(轨迹圆与磁场圆相交，四边形PO1QO2为棱形) 由 得： （2分）54、地球周围存在磁场，由太空射来的带电粒子在此磁场
9、中的运动称为磁漂移，以下是描述的一种假设的磁漂移运动，在某真空区域有一带正电的粒子（重力不计）在x=0，y=0处沿y方向以速度v0运动，空间存在垂直纸面的匀强磁场，在y0的区域中，磁感应强度为B1，在y0的区域中，磁感应强度为B2，且B1 与B2的方向相同，B1B2，粒子在磁场区域内沿x方向作磁漂移运动，如图所示 （1）问：磁感应强度B1与B2的方向如何？ （2）把粒子出发点x = 0处作为第0次通过x轴，求至第2次过x轴的过程中，在x轴方向的平均速度v与v0之比 （3）若把粒子出发点x = 0处作为第0次通过x轴，求至第n次过x轴的过程中，在x轴方向的平均速度v与v0之比（n为奇数）解：（1）磁感应强度B1与B2的方向垂直纸面向外（2分）（2）设带电粒子的电荷量为q，质量为m，在B1 和B2中运动轨道半径分别为r1和r2，周期分别为T1和T2，由 和得 （1分） （1分）（1分） （1分）粒子第2次过x轴，沿x轴的位移x = 2（r1r2） （1分）运动的时间 （1分）平均速度 （1分）则由式得：（1分）（3）粒子第n次过x轴的位移x = （1分）经过的时间 （1分）联立式解得： （2分）
