题目内容
【题目】如图所示为一种获得高能粒子的装置,环形区域内有垂直纸面向外的均匀磁场,质量为
、带电量为
的粒子在环中做半径为
的圆周运动.
、
为两块中心开有小孔的极板,原来电势都是零,每当粒子飞经
板时,
板电势升高为
,
板电势仍保持为零,粒子在两极板电场中得到加速.每当粒子离开
板时,
板的电势又降为零,粒子被电场一次次加速后动能不断增大,而绕行半径不变
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(1)设
时,粒子静止在
板小孔处,在电场作用下加速,并绕行第一圈,求粒子绕行
圈回到
板时获得的总动能
.
(2)为了使粒子保持在半径为
的圆轨道上运动,磁场必须周期性递增.求粒子绕行
圈时的磁感应强度
.
(3)求粒子绕行
圈所需要的总时间
(设极板间距离远小于
).
(4)画出
板电势
与时间
的关系图像,设从
开始,画到粒子第四次离开
板时间即可.
(5)在粒子绕行的全程中,
板的电势可否始终维持为
?理由是什么?
【答案】(1)
,式中n为正整数
(2)![]()
(3)![]()
(4)A板电势U与时间t的关系图像如图所示
![]()
(5)如果绕行运动全程时间且板电势始终保持为U,则环形空间始终有从A极指向B极的电场,粒子在窄空隙被加速,在圆周运动中会被减速,加速与减速的效果一样,与运行路径无关,这是不应该的。
【解析】
(1)依题意可知,粒子每绕行一圈,经
、
间的电场加速一次,电场力做功
,绕行
圈则被加速
次,电场力所做的总功为
.
依动能定理,粒子最终的总动能为
,式中
为正整数.
(2)因为粒子运行的速度在不断地增大,为维持粒子运动的半径
不变,则磁感应强度
也应同步增大.
由(1)可知:
,则
,因
、
、
、
均为定值,所以,
是
的单值函数,即
.
(3)粒子在磁场中旋转的周期
,因
变大,对应的周期变小,运行的总时间为
![]()
.
(4)通过前面的计算可知,
,
,可见,
、
板间的加速电压即电场存在时间应越来越短,没有电压(即圆周运动)的时间也应越来越短,其
板电势
与时间
的关系图像如图乙所示.
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(5)如果绕行运动全程时间中
板电势始终保持为
,则环形空间始终有从
板指向
板的电场,粒子在窄空隙被加速,在圆周运动中会被减速,加速与减速的效果一样,与运行路径无关,这是不应该的.
本题有关一种加速器装置,中学物理中涉及的加速器有很多种,讨论问题的方面也是在不断翻新,但涉及的规律并不会有什么大变化,更多的则是运动过程的变化、几何关系的变化、约束条件的变化,答题者需要做到的是以不变应万变,冷静分析运动过程,跟着过程走,找准过程中的连接纽带,化解各个问题.