题目内容
【题目】在如图甲所示的平面坐标系xOy内,正方形区域(0<x<d、0 <y<d)内存在垂直xOy平面周期性变化的匀强磁场,规定图示磁场方向为正方向,磁感应强度B的变化规律如图乙所示,变化的周期T可以调节,图中B0为己知。在x=d处放置一垂直于x轴的荧光屏,质量为m、电荷量为q的带负电粒子在t=0时刻从坐标原点O沿y轴正方向射入磁场,不计粒子重力。
(1)调节磁场的周期,满足T>,若粒子恰好打在屏上P(d,0)处,求粒子的速度大小v;
(2)调节磁场的周期,满足T=,若粒子恰好打在屏上Q(d,d)处,求粒子的加速度大小a;
(3)粒子速度大小为v0=时,欲使粒子垂直打到屏上,周期T应调为多大?
【答案】(1);(2)(其中 k=1,2,3……);(3)T=,其中sin=,=arcsin;sin=,=arcsin;sin=,=arcsin。
;
【解析】
(1)粒子的运动轨迹如图所示:
由洛伦兹力提供向心力,有:
qvB =m
几何关系可得:
2R1=d
联立解得:
(2)粒子的轨迹如图所示:
由几何关系可得:
,其中 k=1、2、3……
;
可得:
而
联立可得:
,其中k=1,2,3……
(3)洛伦兹力提供向心力,有:
qvB=m;
;
粒子运动轨迹如图所示,
在每个磁感应强度变化的周期内,粒子在图示A、B两个位置可能垂直击中屏,且满足要求0<<。
设粒子运动的周期为T′,由题意得:
;
设经历完整TB的个数为n (n = 0,1,2,3……)
(I)若粒子运动至A点击中屏,据题意由几何关系得:
R+2(R+Rsin)n=d
当 n=0、 1时无解;
当 n=2时,sin=,=arcsin;
n>2时无解。
(II)若粒子运动至B点击中屏,据题意由几何关系得:
R+2Rsin+2(R+Rsin)n=d
当n=0时无解。
n=1时,sin=,=arcsin;
n=2时:sin=,=arcsin;
n>2 时无解
综合得:
T= ;
其中sin=,=arcsin;sin=,=arcsin;sin=,=arcsin。