Question

如图所示，ABCDEF是一边长为L的正六边形盒，各边均为绝缘板，盒外有方向垂直纸面向里、范围足够大的匀强磁场，磁感应强度大小为B．在盒内有两个与AF边平行的金属板M、N，且金属板N靠近盒子的中心O点，金属板M和盒子AF边的中点均开有小孔，两小孔与O点在同一直线上．现在O点静止放置一质量为m、电荷量为q的带正电粒子（不计粒子的重力）．
（1）如果在金属板N、M间加上电压U_NM=U₀时，粒子从AF边小孔射出后直接打在A点，试求电压U₀的大小．
（2）如果改变金属板N、M间所加电压，试判断粒子从AF边小孔射出后能否直接打在C点．若不能，说明理由；若能，请求出此时电压U_NM的大小．
（3）如果给金属板N、M间加一合适的电压，粒子从AF边小孔射出后恰好能以最短时间回到该小孔（粒子打在盒子各边时都不损失动能），试求最短时间．

Answer 1

（1）依题意，R=

L

4

，
由qvB=m

v2

R

，
及qU₀=

1

2

mv02，
解得U₀=

qB2L2

32m

（2）设AF中点为G，连接GC，作其垂直平分线，与AF延长线交点即为圆心
由相似三角形得R′=O′G=

13L

4

，
由牛顿第二定律，qvB=

mv2

R′

，
∵qU₀=

1

2

mv02，
∴U_NM=

169qB2L2

32m

（3）由于粒子在磁场中运动周期T=

2πm

qB

，T与速率无关粒子撞击BC中点和DE中点后回到G，
用时最短圆周半径R″=

3

2

L，
得到最短时间t=

300

360

T×3=

5πm

qB

答：（1）如果在金属板N、M间加上电压U_NM=U₀时，粒子从AF边小孔射出后直接打在A点，则电压U₀的大小U

qB2L2

32m

．
（2）如果改变金属板N、M间所加电压，试判断粒子从AF边小孔射出后能否直接打在C点．若不能，说明理由；若能，此时电压U_NM的大小

169qB2L2

32m

．
（3）如果给金属板N、M间加一合适的电压，粒子从AF边小孔射出后恰好能以最短时间回到该小孔，则最短时间为

5πm

qB

．