题目内容

(16分)在如图所示的xoy坐标系中,y>0的区域内存在着沿y轴正方向、场强为E的匀强电场,y<0的区域内存在着垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场.一带电粒子从y轴上的P(0,h)点以沿x轴正方向的初速度射出,恰好能通过x轴上的D(d,0)点.己知带电粒子的质量为m,带电量为-q.h、d、q均大于0.不计重力的影响.

(1)若粒子只在电场作用下直接到达D点,求粒子初速度的大小
(2)若粒子在第二次经过x轴时到达D点,求粒子初速度的大小
(3)若粒子在从电场进入磁场时到达D点,求粒子初速度的大小
(1) (2) (3)

试题分析:(1)若粒子只在电场作用下直接到达D点,设粒子在电场中运动的时间为t,
粒子沿x方向做匀速直线运动,则       (1分)
沿y方向做初速度为零的匀加速直线运动,则        (1分)
加速度             (1分)
粒子只在电场作用下直接到达D点的条件为       (1分)
联立以上各式,解得:           (1分)
(2)若粒子在第二次经过x轴时到达D点,其轨迹如图3所示。
设粒子进入磁场的速度大小为v,v与x轴的夹角为θ,轨迹半径为R,则:
            (1分)
           (1分)
粒子第二次经过x轴时到达D点的条件为:          (2分)
联立以上各式,解得:           (1分)
(3)若粒子在从电场进入磁场时到达D点,其轨迹如图4所示。
根据运动对称性可知:         (2分)
粒子在从电场进入磁场时到达D点的条件为:
,其中n为非负整数         (2分)
联立以上各式,解得:       (2分)
练习册系列答案
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有一种“双聚焦分析器”质谱仪,工作原理如图所示。加速电场的电压为U,静电分析器中有辐向会聚电场,即与圆心O1等距各点的电场强度大小相同,方向沿径向指向圆心O1;磁分析器中以O2为圆心、圆心角为90°的扇形区域内,分布着方向垂直于纸面向外的匀强磁场,其左边界与静电分析器的右边界平行.由离子源发出一个质量为m、电荷量为q的正离子(初速度为零,重力不计),经加速电场加速后,从M点沿垂直于该点的电场方向进入静电分析器,在静电分析器中,离子沿半径为R的四分之一圆弧轨道做匀速圆周运动,并从N点射出静电分析器.而后离子由P点沿着既垂直于磁分析器的左边界,又垂直于磁场方向射入磁分析器中,最后离子沿垂直于磁分析器下边界的方向从Q点射出,并进入收集器.测量出Q点与圆心O2的距离为d,位于Q点正下方的收集器入口离Q点的距离为d/2.(题中的U、m、q、R、d都为已知量)

(1)求静电分析器中离子运动轨迹处电场强度E的大小;
(2)求磁分析器中磁感应强度B的大小;
(3)现将离子换成质量为4m ,电荷量仍为q的另一种正离子,其它条件不变.磁分析器空间足够大,离子不会从圆弧边界射出,收集器的位置可以沿水平方向左右移动,要使此时射出磁分析器的离子仍能进入收集器,求收集器水平移动的距离.

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