题目内容

如图所示,在直角坐标系xOy的原点O处有一放射源S,放射源SxOy平面内均匀发射速度大小相等的正电粒子,位于y轴的右侧垂直于x轴有一长度为L的很薄的荧光屏MN,荧光屏正反两侧均涂有荧光粉,MNx轴交于O'点。已知三角形MNO为正三角形,放射源S射出的粒子质量为m,带电荷量为q,速度大小为v,不计粒子的重力。

(1)若只在y轴右侧加一平行于x轴的匀强电场,要使y轴右侧射出的所有粒子都能打到荧光屏MN上,试求电场强度的最小值Emin及此条件下打到荧光屏M点的粒子的动能;

(2)若在xOy平面内只加一方向垂直纸面向里的匀强磁场,要使粒子能打到荧光屏MN的反面O'点,试求磁场的磁感应强度的最大值Bmax

(3)若在xOy平面内只加一方向垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度与(2)题中所求Bmax相同,试求粒子打在荧光屏MN的正面O'点所需的时间t1和打在荧光屏MN的反面O'点所需的时间t2之比。

 

解析:(1)所加电场电场强度的最小值Emin对应沿着y轴正方向射出的带电粒子正好打在荧光屏的端点M这一临界状态。对该粒子有:

, (4分)

解得            (1分)

对此时从S射出能打到荧光屏上的任一粒子(包括打到荧光屏M点的粒子),设它到达屏时的动能为Ek,由动能定理有:

        (2分)

解得:              (1分)

(2)由题意,所加磁场的最大磁感应强度Bmax对应来自S的粒子恰好经过荧光屏下端点N后打到O’这一临界状态,如图所示(圆心在C1)。从图中的几何关系得,粒子在磁场中做圆周运动的半径             (2分)

洛伦兹力提供向心力,有,(2分)联立解得(2分)

(3)打在荧光屏正面O点的粒子的圆弧轨迹见图(圆心在C2),根据匀速圆周运动规律有,由图中的几何关系得,联立解得t1:t2=1∶2   (4分)

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