题目内容
【题目】(16分)边长为3L的正方形区域分成相等的三部分,左右两侧为匀强磁场,中间区域为匀强电场,如图所示。左侧磁场垂直纸面向外,磁感应强度大小为B1,右侧磁场的磁感应强度大小为B2,方向垂直纸面向里,中间区域电场方向与正方形区域的上下边界平行。一质量为m、电荷量为+q的带电粒子从平行金属板的正极板开始由静止被加速,加速电压为U,加速后粒子从a点进入左侧磁场且与左边界的角度θ=30°,又从距正方形上下边界等间距的b点沿与电场平行的方向进入电场,不计粒子的重力。求:
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(1)粒子经过平行金属板加速后的速度大小v;
(2)左侧磁场区域磁感应强度B1;
(3)若B2=
,电场强度E的取值在什么范围内时粒子能从右侧磁场的上边缘cd间离开?
【答案】(1)v=
(3分) (2)B1=
(5分) (3)
≤E≤
(8分)
【解析】(1)粒子在平行金属板间被加速的过程中,根据动能定理有:qU=
-0(2分)
解得粒子经过平行金属板加速后的速度大小为:v=
(1分)
(2)根据题意,作出粒子的运动轨迹图,如图所示。
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根据图中几何关系可知,粒子在左侧磁场区域内做匀速圆周运动,速度偏转角为:α=90°-θ=60°
其轨道半径为:R1=
=
(2分)
粒子做匀速圆周运动的向心力由洛伦兹力提供,根据牛顿第二定律和向心力公式有:qvB1=
(2分)
解得:B1=
(1分)
(3)设粒子经中间电场加速后速度为v′,要使粒子能从上边缘cd间离开,其临界情况分别为刚好从c点和轨迹与右边界相切离开,对应的速度分别为v′min和v′m,轨道半径分别为R2min和R2m
由图中几何关系可知:R2min=
,R2m=L(2分)
即粒子能从上边缘cd间离开时对应的轨道半径满足:
≤R2≤L(1分)
根据牛顿第二定律和向心力公式有:qv′B2=
(2分)
在中间电场运动的过程,由动能定理有:qEL=
-
(2分)
解得电场强度需满足的条件为:
≤E≤
(1分)