2026届高考物理一轮复习模型解读与针对性训练8.回旋加速器模型(学生版+解析)

这是一份2026届高考物理一轮复习模型解读与针对性训练8.回旋加速器模型(学生版+解析)，共9页。
【回旋加速器模型解读】
1. 回旋加速器结构
核心部件是垂直磁场方向放置的两个D形盒（D1，D2）、粒子源A、匀强磁场B、高频交变电源U、粒子引出装置，整个装置处于真空中.
2.工作原理
带电粒子由静止开始从D形盒中的粒子源A释放，经电场加速后进入匀强磁场中做匀速圆周运动，半个周期后再次进入两盒间的狭缝被加速.
3.主要特征
（1）电场只起加速作用，磁场只起偏转作用，粒子在一个周期内被加速两次.
（2）加速条件：高频电源的周期与粒子在D形盒中的运动周期相同，即T电源＝T回旋＝2πmqB，因此粒子进入电场时总能够被加速.
（3）轨道半径：粒子从静止开始被电场加速，由rn＝mvnqB，vn＝2nqUm可知r∝n.因此，相接轨道半径之比依次为1∶2∶3∶….由于每个周期粒子被加速两次，故相邻轨道（即同侧轨道）的半径之比依次为1∶3∶5∶….可见，越靠近D形盒的边缘，相邻两轨道的间距越小（由于相邻轨道的间距Δr∝n+2－n，故Δr是减函数）.
（4）粒子的最终能量：由于D形盒的大小一定，故所有粒子的最大回旋半径相同.设rmax＝R，则粒子的最大速度为vmax＝qBRm，最大能量为Emax＝12mvmax2＝q2B2R22m.可见，粒子的最终能量仅受磁感应强度B和D形盒半径的限制，而与加速电压和频率无关，加速电压只是影响粒子在D形盒内加速的次数.
（5）粒子被加速的次数：n＝EmaxqU＝qB2R22mU（粒子在磁场中转动的圈数为n2）.
（6）粒子在磁场中运动的总时间t＝n2T＝qB2R24mU·2πmqB＝πBR22U.
【高考真题】
【典例1】．（2025高考广东卷）某同步加速器简化模型如图所示，其中仅直通道PQ内有加速电场，三段圆弧内均有可调的匀强偏转磁场B。带电荷量为、质量为m的离子以初速度从P处进入加速电场后，沿顺时针方向在加速器内循环加速。已知加速电压为U，磁场区域中离子的偏转半径均为R。忽略离子重力和相对论效应，下列说法正确的是（ ）
A．偏转磁场的方向垂直纸面向里
B．第1次加速后，离子的动能增加了
C．第k次加速后．离子的速度大小变为
D．第k次加速后，偏转磁场的磁感应强度大小应为
【典例2】. [2021高考江苏卷]如图1所示，回旋加速器的圆形匀强磁场区域以O点为圆心，磁感应强度大小为B，加速电压的大小为U.质量为m、电荷量为q的粒子从O附近飘入加速电场，多次加速后粒子经过P点绕O做半径为R的圆周运动，粒子在电场中的加速时间可以忽略.为将粒子引出磁场，在P位置安装一个“静电偏转器”，如图2所示，偏转器的两极板M和N厚度均匀，构成的圆弧形狭缝圆心为Q、圆心角为α，当M、N间加有电压时，狭缝中产生电场强度大小为E的电场，使粒子恰能通过狭缝，粒子在再次被加速前射出磁场，不计M、N间的距离.求：
图1 图2
（1）粒子加速到P点所需要的时间t；
（2）极板N的最大厚度dm；
（3）磁场区域的最大半径Rm.
【针对性训练】
1. .( 2024江西省部分重点高中高二5月教学质量检测)如图所示为回旋加速器的示意图，两形盒的狭缝间接有电压大小恒为，变化周期为的交变电压，两形盒所在区域加竖直向下的匀强磁场，质量为、电荷量为的粒子由点静止释放，结果该粒子被加速次后从形盒中引出，忽略相对论效应，粒子比荷.则下列说法正确的是（ ）
A.磁感应强度大小为
B.形盒的半径为
C.粒子第1次与第2次在形盒中做圆周运动的半径之比为
D.增大加速电压，粒子离开形盒时的动能增大
2. （2024安徽黄山一模）如图甲是回旋加速器的工作原理示意图，置于真空中的形金属盒半径为，匀强磁场与盒面垂直，两盒间狭缝的间距很小，加在狭缝间的交变电压如图乙所示，电压值的大小为，周期为。一质量为，电荷量为的粒子在时从形金属盒的中心处飘入狭缝，其初速度视为零，不考虑粒子在狭缝中的运动时间。则（ ）
A. 粒子在狭缝间被加速的次数为
B. 粒子在回旋加速器中运动的总时间为
C. 满足加速条件情况下，磁感应强度越大，粒子出射时动能越大
D. 改变，粒子加速次数越多，粒子出射时动能越大
3. （2024黑龙江六校联盟2月联考） 1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，现对氘核（）加速，所需的高频电源的频率为f，磁感应强度为B，已知元电荷为e，下列说法正确的是（ ）
A. 被加速的带电粒子在回旋加速器中做圆周运动的周期随半径的增大而增大
B. 高频电源的电压越大，氘核最终射出回旋加速器的速度越大
C. 氘核的质量为
D. 该回旋加速器接频率为f的高频电源时，也可以对氦核（）加速
4. （2024湖南顶级名校联考）如图为一种改进后的回旋加速器示意图，加速电场场强大小恒定，且被限制在板间，虚线中间不需加电场，如图所示，带电粒子在处由静止经加速电场加速后进入D形盒中的匀强磁场做匀速圆周运动，对该回旋加速器，下列说法正确的是（ ）
A.带电粒子每运动一周被加速两次
B.加速粒子的最大速度与D形盒的尺寸有关
C.板间的加速电场方向需要做周期性变化
D.右侧相邻圆弧间距离与的比值为
5. （2024年2月广东大联考）图甲为我国建造的第一台回旋加速器，该加速器存放于中国原子能科学研究院，其工作原理如图乙所示，下列说法正确的是（ ）
A. 粒子在回旋加速器中增加的动能来源于磁场能
B. 同一粒子出射时的动能大小与加速电压的大小无关
C. 同一粒子从加速器出射时速度大小只与D形盒的半径大小及磁场的磁感应强度大小有关
D. 从理论上讲，只要无限增大D形盒半径和磁感应强度，就能使粒子的出射动能无限大
6. （2024南京重点高中期末联考）如图甲所示是用来加速带电粒子的回旋加速器的示意图，其核心部分是两个D形金属盒。在加速带电粒子时，两金属盒置于匀强磁场中，两盒分别与高频电源相连。带电粒子在磁场中运动的动能随时间的变化规律如图乙所示，忽略带电粒子在电场中的加速时间，则下列判断错误的是（ ）
A. 在图中应有
B. 高频电源的变化周期应该等于
C. 粒子加速次数越多，粒子最大动能不一定越大
D. 要想粒子获得的最大动能增大，可增加D形盒的半径
7. （2024黑龙江齐齐哈尔名校联盟期末联考）如图所示为回旋如速器示意图。两个靠得很近的D形金属盒处在与盒面垂直的匀强磁场中，一氘核从加速器的A处由静止开始加速，运动一段时间后从加速器出口C处射出。已知D型盒的半径为R，高频交变电源的电压为U、频率为f，氘核质量为m。下列说法正确的是（ ）
A. 氘核在D形盒中运动时间与加速电压U无关
B. 氘核的最大动能为
C. 氘核第2次和第1次经过两D形盒间狭缝后轨道半径之比为
D. 若要加速粒子，交流电的频率f不需要改变
8. （2024深圳龙岗期末）如图，有一回旋加速器，两盒加上垂直纸面外、磁感应强度可调节的匀强磁场，左盒通过一水平管道与一个左右两侧都开有很小狭缝的圆筒相连，圆筒内有垂直纸面向内的匀强磁场。现在左盒附近的点放置一电子，再利用两盒狭缝加上一交变电压来给电子周期性加速，经过时间电子便获得一定速率贴着管壁通过水平管道后进入圆筒，与下圆筒壁发生多次弹性碰撞又不作循环的从圆筒的右狭缝直接离开圆筒。
已知圆筒的半径为、磁感应强度恒为盒的半径为，电子的比荷为，电子在两盒狭缝间运动的时间不计，加速电子时电压的大小可视为不变，电子重力不计。
（1）求与下圆筒壁碰撞次的电子的速率；
（2）由（1）的速率确定盒中磁感应强度的表达式，并求时的值；
（3）若电子在狭缝中加速次数与回旋半周的次数相同，根据时的值及其他已知量求加速电压的值。
9. （2024河南驻马店期末） 回旋加速器是利用磁场和电场使带电粒子做回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置，是高能物理中的重要仪器。回旋加速器的工作原理如图所示，和是两个半径均为的中空半圆金属盒，两金属盒的间距为d、电压为，在的圆心处放有粒子源A，与盒面垂直的匀强磁场的磁感应强度大小为。初速度不计的带电粒子从粒子源A进入匀强加速电场，粒子在电场中的加速次数与粒子回旋半周的次数相同。粒子在电场中运动时不考虑磁场的影响，不计粒子所受的重力，不考虑粒子在高速运动时的相对论效应。
（1）求粒子在两金属盒磁场中回旋的总时间；
（2）证明当时，粒子在电场中加速的总时间相对于粒子在两金属盒中回旋的总时间，可忽略不计；
（3）证明粒子在磁场中做圆周运动时，越靠近金属盒边缘，相邻两轨道的间距越小。
10. (2024年4月天津河西区模拟)加速器在核物理和粒子物理研究中发挥着巨大的作用，回旋加速器是其中的一种。如图是某回旋加速器的结构示意图，D1和D2是两个中空的、半径为R的半圆型金属盒，两盒之间窄缝的宽度为d，它们之间有一定的电势差U。两个金属盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，磁感应强度大小为B。D1盒的中央A处的粒子源可以产生质量为m、电荷量为+q的粒子，粒子每次经过窄缝都会被电场加速，之后进入磁场做匀速圆周运动，经过若干次加速后，粒子从金属盒D1边缘离开，忽略粒子的初速度、粒子的重力、粒子间的相互作用及相对论效应。
（1）求粒子离开加速器时获得的最大动能Ekm；
（2）在分析带电粒子的运动轨迹时，用Δd表示任意两条相邻轨迹间距，甲同学认为Δd不变，乙同学认为Δd逐渐变大，丙同学认为Δd逐渐减小，请通过计算分析哪位同学的判断是合理的；
（3）若该回旋加速器金属盒的半径R=1m，窄缝的宽度d=0.1cm，求粒子从A点开始运动到离开加速器的过程中，其在磁场中运动时间与在电场中运动时间之比。（结果保留两位有效数字）
11．（18分）（2024天津河西区质检）加速器在核物理和粒子物理研究中发挥着巨大的作用，回旋加速器是其中的一种。如甲图所示是某回旋加速器的结构示意图，和是两个中空的、半径为R的半圆型金属盒，两盒之间窄缝的宽度为d，它们之间有一定的电势差两个金属盒处于与盒面垂直的匀强磁场中，磁感应强度大小为B。盒的中央A处的粒子源可以产生质量为m、电荷量为的粒子，粒子每次经过窄缝都会被电场加速，之后进入磁场做匀速圆周运动，经过若干次加速后，粒子从金属盒边缘离开。忽略粒子的初速度、粒子的重力、粒子间的相互作用及相对论效应。
（1）求粒子离开加速器时获得的最大动能；
（2）如乙图所示，在分析带电粒子的运动轨迹时，用表示任意两条相邻轨迹间距，甲同学认为不变，乙同学认为逐渐变大，丙同学认为逐渐减小，请通过计算分析哪位同学的判断是合理的；
（3）若该回旋加速器金属盒的半径，窄缝的宽度，求粒子从A点开始运动到离开加速器的过程中，其在磁场中运动时间与在电场中运动时间之比。（取3）