题目内容
【题目】真空中有如图所示的周期性交变磁场,设磁感应强度B垂直纸面向里为正方向,B0=1T,t0=π×l0-5s,k为正整数。某直角坐标系原点O处有一粒子源,在t=0时刻沿x轴正方向发射速度为v0=103m/s的正点电荷,比荷
=1×l06C/kg,不计粒子重力。
(1)若k=1,求粒子在磁场中运动的轨道半径和粒子第3次(从O点出发记为第1次)经过y轴时的时刻;
(2)若k=2,求粒子在运动过程中与y轴交点坐标的最大值和最小值;
(3)若t0=
10-5s,则k取何值时,粒子可做周期性循环运动回到出发点?并求出循环周期的最小值Tmin和相应的k值。
【答案】(1)0.01m;
;(2)
;
;(3)当
取非
的正整数时,均可以回到出发点;当
时,最小循环周期为![]()
【解析】
(1)粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动,由
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解得
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当
时,因为
,粒子第3次经过
轴时恰好向上经历两个半圆(如图)则时间![]()
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(2)当
时,
,粒子一个循环周期中运动分别为半圆→整圆→半圆→整圆,因此由几何关系得:
与
轴交点坐标的最大值为
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与
轴交点坐标的最小值为
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(3)因为
,所以粒子先做
圆弧运动,之后对
的不同值进行分类讨论:
如图可见
1、2、3、4时可能的分段情况.
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①
,粒子做
圆弧交替运动,向右上45°方向无限延伸,不会循环运动
②
,粒子做
圆弧与
圆弧交替运动,经过4个周期回到出发点,循环周期![]()
③
,粒子做
圆弧与
圆弧交替运动,经过2个周期回到出发点,循环周期![]()
④
,粒子做
圆弧与
圆弧交替运动,经过4个周期回到出发点,循环周期![]()
当
时,运动过程相似,每个周期中均增加
(正整数)个圆周,能循环的运动其循环周期均延长.
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综上可得:
(1)当
取非
的正整数时,均可以回到出发点.
(2)当
时,最小循环周期为
.
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