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2024 高考物理二轮复习 80 热点模型
最新高考题模拟题专项训练
模型53 回旋加速器模型
最新高考题
1.（15分）（2021年高考广东学业水平选择性测试）图11是一种花瓣形电子加速器
简化示意图．空间有三个同心圆a、b、c围成的区域，圆a内为无场区，圆a与圆b
之间存在辐射状电场，圆b与圆c之间有三个圆心角均略小于90°的扇环形匀强磁场
区I、Ⅱ和Ⅲ．各区磁感应强度恒定，大小不同，方向均垂直纸面向外，电子以初动
能E 从圆b上P点沿径向进入电场，电场可以反向，保证电子每次进入电场即被全
k0
程加速，已知圆a与圆b之间电势差为U，圆b半径为R，圆c半径为√3R，电子质量
为m，电荷量为e．忽略相对论效应．取tan 22.5°＝0.4．
（1）当E ＝0时，电子加速后均沿各磁场区边缘进入磁场，且在电场内相邻运动轨
k0
迹的夹角θ均为 45°，最终从Q点出射，运动轨迹如图11中带箭头实线所示．
求I区的磁感应强度大小、电子在I区磁场中的运动时间及在Q点出射时的动能；
（2）已知电子只要不与I区磁场外边界相碰，就能从出射区域出射．当E ＝keU时，
k0
要保证电子从出射区域出射，求k的最大值．
2. (2018·11月浙江选考)小明受回旋加速器的启发，设计了如图(a)所示的“回旋变速
装置”．两相距为d的平行金属栅极板M、N，板M位于x轴上，板N在它的正下方．两
板间加上如图(b)所示的幅值为U 的交变电压，周期T ＝，板M上方和板N下方有磁感应
0 0
强度大小均为B、方向相反的匀强磁场．粒子探测器位于y轴处，仅能探测到垂直射入的带电粒子，有一沿x轴可移动、粒子出射初动能可调节的粒子发射源，沿y轴正方向射出
质量为m、电荷量为q(q＞0)的粒子．t＝0时刻，发射源在(x，0)位置发射一带电粒子．忽
略粒子的重力和其他阻力，粒子在电场中运动的时间不计．
(1)若粒子只经磁场偏转并在y＝y 处被探测到，求发射源的位置和粒子的初动能；
0
(2)若粒子两次进出电场区域后被探测到，求粒子发射源的位置x与被探测到的位置y
之间的关系．
3.（16分）.(2016江苏高考物理)回旋加速器的工作原理如题15-1图所示，置于真空中的D
形金属盒半径为R，两盒间狭缝的间距为d，磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，被加
速粒子的质量为m，电荷量为+q，加在狭缝间的交变电压如题15-2图所示，电压值的大小
T
为U 。周期T= 。一束该粒子在t=0-2 时间内从A处均匀地飘入狭缝，其
b
初速度视为零。现考虑粒子在狭缝中的运动时间，假设能够出射的粒子每次经
过狭缝均做加速运动，不考虑粒子间的相互作用。求：
21*cnjy*com
（1）出折粒子的动能 ；
（2）粒子从飘入狭缝至动能达到 所需的总时间 ；
（3）要使飘入狭缝的粒子中有超过99%能射出，d应满足的条件.
4.(2015·浙江)使用回旋加速器的实验需要把离子束从加速器中引出，离子束引出的方法有
磁屏蔽通道法和静电偏转法等。质量为m，速度为v的离子在回旋加速器内旋转，旋转轨道时半径为r的圆，圆心在O点，轨道在垂直纸面向外的匀强磁场中，磁感应强度为B。
为引出离子束，使用磁屏蔽通道法设计引出器。引出器原理如图所示，一堆圆弧形金属板
组成弧形引出通道，通道的圆心位于 点（ 点图中未画出）。引出离子时，令引出通
道内磁场的磁感应强度降低，从而使离子从P点进入通道，沿通道中心线从Q点射出。已
知OQ长度为L。OQ与OP的夹角为 .。
（1）求离子的电荷量q，并判断其正负；
（2）离子从P点进入，Q点射出，通道内匀强磁场的磁感应强度应降为 ，求 ；
（3）换用静电偏转法引出离子束，维持通道内的原有磁感应强度B不变，在内外金属板
间加直流电压，两板间产生径向电场，忽略边缘效应。为使离子仍从P点进入，Q点射出，
求通道内引出轨迹处电场强度E的方向和大小。
5. （2015·重庆）（18分）题9图为某种离子加速器的设计方案.两个半圆形金属盒内存
在相同的垂直于纸面向外的匀强磁场.其中MN和M’N’是间距为 的两平行极板，其上分
别有正对的两个小孔O和O’，O’N’= ON=d，P为靶点，O’P=kd（ 为大于1的整数）.极
板间存在方向向上的匀强电场，两极板间电压为U。质量为m、带电量为q的正离子从O
点由静止开始加速，经O’进入磁场区域。当离子打到极板上O’N’区域（含N’点）或外壳
上时将会被吸收.两虚线之间的区域无电场和磁场存在，离子可匀速穿过。忽略相对论效应
和离子所受的重力。求：
（1）离子经过电场仅加速一次后能打到P点所需的磁感应强度大小；
（2）能使离子打到P点的磁感应强度的所有可能值；
（3）打到P点的能量最大的离子在磁场汇总运动的时间和在电场中运动的时间。
最新模拟题
1.（2023石家庄三模） 如图甲所示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：其核心部分是两个D形盒，粒子源O置于D
形盒的圆心附近，能不断释放出带电粒子，忽略粒子在电场中运动的时间，不考虑加速过
程中引起的粒子质量变化。现用该回旋加速器对 、 粒子分别进行加速，下列说法
正确的是（ ）
A. 两种粒子在回旋加速器中运动的时间相等
B. 两种粒子在回旋加速器中运动的时间不相等
C. 两种粒子离开出口处的动能相等
D. 两种粒子离开出口处的动能不相等
2. （2023北京东城二模） 回旋加速器的工作原理如图所示，D 和D 是两个中空的半圆金
1 2
属盒，它们之间有电势差。两个半圆盒处于与盒面垂直的匀强磁场中。中央A处的粒子源
可以产生粒子，粒子在两盒之间被电场加速，进入磁场后做匀速圆周运动。粒子离开A处
时的速度、在电场中的加速时间以及粒子的重力均可忽略不计。不考虑粒子间的相互作用
及相对论效应。下列说法正确的是（ ）
A. 电势差一定时，磁感应强度越大，粒子离开加速器时的动能越小
B. 电势差一定时，磁感应强度越大，粒子在加速器中的运动时间越长
C. 磁感应强度一定时，电势差越大，粒子离开加速器时的动能越大
D. 磁感应强度一定时，电势差越大，粒子在加速器中的运动时间越长3.（2023山西太原期中） 2022年12月28日我国中核集团全面完成了 超导回旋
加速器（左图）自主研制的任务，突破了国外垄断，实现我国重大疾病诊断和治疗设备的
国产化。如右图所示为回旋加速器工作原理示意图，置于高真空中的D形金属盒半径为
R，带电粒子穿过两金属盒间狭缝的时间可忽略。磁感应强度为B的匀强磁场与盒面垂直，
加速电压为U。圆心A处粒子源产生质子，初速度为零，质子在加速器中被加速，且加速
过程中忽略相对论效应和重力的影响，则下列说法正确的是（ ）
A. 在其他条件都不改变的情况下，可以用这套装置加速氘核
B. 质子第n次加速后在磁场中的运动半径是第一次加速后的n倍
C. 若磁感应强度变为 ，则加速电压的变化频率应调整为原来的2倍，质子离开回旋加
速器时的最大动能为原来的2倍
D. 在其他条件都不改变的情况下，质子被加速的次数与R2成正比
4. （2023福建泉州三模）跑道式回旋加速器的工作原理如图所示，两个匀强磁场区域I、
II的边界平行，相距为 ，磁感应强度大小相等，方向均垂直纸面向外。 之间存在
匀强电场，场强大小为 ，方向与磁场边界垂直。质量为 、电荷量为 的粒子
从 端无初速进入电场， 次经过电场加速后，从位于边界上的出射口 射出。已知
之间的距离为 ，不计粒子重力。求：
（1）粒子射出 时的速率；（2）磁场的磁感应强度大小；
（3）粒子从 端进入电场到运动至出射口 的过程中，在电场和磁场内运动的总时间。
5. （2023福建龙岩武平仿真模拟） 如图所示为回旋加速器的结构示意图，匀强磁场的方
向垂直于半圆型且中空的金属盒D 和D，磁感应强度为B，金属盒的半径为R，两盒之间
1 2
有一狭缝，其间距为d，且R d，两盒间电压为U。A处的粒子源可释放初速度不计的带
电粒子，粒子在两盒之间被加≫速后进入D 盒中，经半个圆周之后再次到达两盒间的狭缝。
1
通过电源正负极的交替变化，可使带电粒子经两盒间电场多次加速后获得足够高的能量。
已知带电粒子的质量为m、电荷量为+q。
(1)不考虑加速过程中的相对论效应和重力的影响。
①求粒子可获得的最大动能E ；
km
②若粒子第1次进入D 盒在其中的轨道半径为r，粒子第2次进入D 盒在其中的轨道半径
1 1 1
为r，求r 与r 之比；
2 1 2
③求粒子在电场中加速的总时间t 与粒子在D形盒中回旋的总时间t 的比值，并由此分析：
1 2
计算粒子在回旋加速器中运动的时间时，t 与t 哪个可以忽略？（假设粒子在电场中的加速
1 2
次数等于在磁场中回旋半周的次数）；
(2)实验发现：通过该回旋加速器加速的带电粒子能量达到25~30MeV后，就很难再加速了。
这是由于速度足够大时，相对论效应开始显现，粒子的质量随着速度的增加而增大。结合
这一现象，分析在粒子获得较高能量后，为何加速器不能继续使粒子加速了。6. （2023北京昌平二模）现代科学研究中常用到高能粒子，产生这些高能粒子的“工厂”就
是各种各样的粒子加速器。
（1）如图所示，真空中平行金属板M、N之间所加电压为U，一个质量为m、电荷量为
的粒子从M板由静止释放，经电场加速后到达N板，不计带电粒子的重力。求带电粒
子到达N板时的速度大小v。
（2）1930年，物理学家劳伦斯设计出了回旋加速器，其工件原理如图所示。半径为 R的
高真空的D形金属盒处在匀强磁场中，磁感应强度大小为B，方向与盒面垂直。将两盒与
电压为U的高频交流电源相连，两盒的狭缝间形成周期性变化的电场。A处粒子源产生的
带电粒子，质量为m、电荷量为 ，初速度忽略不计。调整交流电源的频率可使粒子每
次通过狭缝时都能被加速。不计带电粒子穿过狭缝的时间和粒子所受重力。
a．求所用交流电源的频率f；
b．对于用回旋加速器加速带电粒子，甲、乙两位同学有不同的看法：甲同学认为增大交流
电源的电压U，就能得到更大能量的粒子；乙同学认为增大 D形盒的半径R，就能得到更
大能量的粒子。忽略相对论效应。你认为哪位同学的看法合理？简要说明理由。
7. （2023长沙二模） 现有一对半圆柱体回旋加速器置于真空中，如图所示，其半径为
R，高度为H，两金属盒半圆柱体间狭缝宽度为d，有垂直于盒面向下、磁感应强度大小为B的匀强磁场和垂直于盒面向下、电场强度大小为E的匀强电场，磁场仅存在于两盒内，
而电场存在于整个装置，两盒间接有电压为U的交流电。加速器上表面圆心A处有一粒子
发射器，现有一电荷量为 、质量为m的粒子从A点飘入狭缝中，初速度可以视为零。
不考虑相对论效应和重力作用，若粒子能从加速器下表面边缘离开，求：
（1）若U未知，粒子从A点到离开加速器下表面边缘所用时间t及动能 ；
（2）粒子在狹缝中被加速的次数n；
（3）若H未知，粒子在狭缝中被加速的时间与在磁场中运动的时间的比值。
8.（2023江苏南通重点高中质检）1930年，劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器。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，D 和D 是两个中空的、半径为R的半圆型金属盒，两盒之间窄缝
1 2
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，D 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
1
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D 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
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应。
（1）求粒子离开加速器时获得的最大动能E ；（5分）
km
（2）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；（5分）
（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）（6分）
（4）若图示的回旋加速器用来加速质子，不改变交流电的频率和磁感应强度B，该回旋加
速器能否用来加速 粒子（ 粒子由两个中子和两个质子构成（氦-4），质量为氢原子的4
倍）？请说明你的结论和判断依据。（7分）
