题目内容
(1)为了能满足上述要求,内、外筒间电压的可能值应是多少?
(2)讨论上述电压取最小值时,粒子在磁场中的运动情况。
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(1)
k =" 1," 2, 3, … (2) ![](http://thumb.1010pic.com/pic2/upload/papers/20140824/20140824115350665453.gif)
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[1] 设带电粒子自A点沿内圆筒半径方向射入磁场时的速度用v表示,进入磁场后,在洛仑兹力作用下粒子做圆周运动,并从内筒表面上的A1点射出磁场,射出磁场时的速度大小仍为v,方向沿过A1点的内圆筒半径方向,如图所示。粒子自A1射出磁场后便进入两圆筒间的电场中,在电场力的作用下,粒子做减速直线运动,刚到达外圆筒的内壁时,速度恰好减至零。然后粒子又在电场力作用下向A1点做加速运动,回到时,粒子速度增大到v,并以此速度沿圆筒内圆半径方向第二次进入磁场,在磁场的洛仑兹力作用下,粒子又做圆周运动,并从A2点射出磁场。此后,粒子又再一次在电场中减速,到达外壁时调转方向加速回到A2点,从A2点进入磁场,再做圆周运动并从A3点射出磁场。这一过程多次重复到最后,粒子再次从A点射出磁场。
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设粒子做圆周运动的半径为r,从A点射入磁场到从A1点射出磁场经历的时间为t,绕圆心o’转过的角度为Ф,过A点和A1点的内圆筒半径对其轴线o的张角为θ,如图所示。有
⑴
⑵
若粒子在磁场中经过n次偏转后能从A点射出磁场,应满足条件nθ = 2kπ ⑶
根据题意有
⑷
而
⑸
解以上各式得n = 2k+1 k =" 1," 2, 3, … ⑹
k =" 1," 2, 3, … ⑺
连结图中的oo’,由直角三角形Aoo’可得:
⑻
因r是粒子在洛仑兹力作用下做圆周运动的轨道半径,有
⑼
由⑵、⑻、⑼式得到粒子射入磁场时的速度
⑽
设加在两圆筒间的电压为U,由能量守恒有
⑾
把⑽式代入⑾式得
k =" 1," 2, 3, … ⑿
[2] 当k=1时,对应射入磁场的速度为最小,加在两圆筒间的电压亦为最小,
⒀
⒁
由⑹式可知粒子在磁场中偏转的次数为 n = 3 ⒂
由⑺式可知每次偏转的角度 θ3 = 120° ⒃
由⑻式和⑺可知粒子在磁场内做圆周运动的半径
⒄
粒子在磁场内运动的总路程
⒅
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设粒子做圆周运动的半径为r,从A点射入磁场到从A1点射出磁场经历的时间为t,绕圆心o’转过的角度为Ф,过A点和A1点的内圆筒半径对其轴线o的张角为θ,如图所示。有
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![](http://thumb.1010pic.com/pic2/upload/papers/20140824/20140824115350728408.gif)
若粒子在磁场中经过n次偏转后能从A点射出磁场,应满足条件nθ = 2kπ ⑶
根据题意有
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而
![](http://thumb.1010pic.com/pic2/upload/papers/20140824/20140824115350915439.gif)
解以上各式得n = 2k+1 k =" 1," 2, 3, … ⑹
![](http://thumb.1010pic.com/pic2/upload/papers/20140824/20140824115350931544.gif)
连结图中的oo’,由直角三角形Aoo’可得:
![](http://thumb.1010pic.com/pic2/upload/papers/20140824/20140824115350946518.gif)
因r是粒子在洛仑兹力作用下做圆周运动的轨道半径,有
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由⑵、⑻、⑼式得到粒子射入磁场时的速度
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设加在两圆筒间的电压为U,由能量守恒有
![](http://thumb.1010pic.com/pic2/upload/papers/20140824/20140824115351118471.gif)
把⑽式代入⑾式得
![](http://thumb.1010pic.com/pic2/upload/papers/20140824/20140824115350650855.gif)
[2] 当k=1时,对应射入磁场的速度为最小,加在两圆筒间的电压亦为最小,
![](http://thumb.1010pic.com/pic2/upload/papers/20140824/20140824115351180608.gif)
![](http://thumb.1010pic.com/pic2/upload/papers/20140824/20140824115351196640.gif)
由⑹式可知粒子在磁场中偏转的次数为 n = 3 ⒂
由⑺式可知每次偏转的角度 θ3 = 120° ⒃
由⑻式和⑺可知粒子在磁场内做圆周运动的半径
![](http://thumb.1010pic.com/pic2/upload/papers/20140824/20140824115351227424.gif)
粒子在磁场内运动的总路程
![](http://thumb.1010pic.com/pic2/upload/papers/20140824/20140824115350665453.gif)
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