题目内容

如图所示,水平放置的平行金属板A和B的间距为d,极板长为2d;金属板右侧用三块挡板MN、NP、PM围成一个等腰直角三角形区域,顶角NMP为直角,MN挡板上的中点处有一个小孔K恰好位于B板的右端,已知水平挡板NP的长度为=2a.由质量为m、带电量为+q的同种粒子组成的粒子束,以速度v从金属板A、B左端沿紧贴板A但不接触板A处射入,不计粒子所受的重力,若在A、B板间加一恒定电压,使粒子穿过金属板后恰好打到小孔K.求:
(1)所施加的恒定电压的大小;
(2)现允许在挡板围成的三角形区域内,加一垂直纸面的匀强磁场,要使从小孔K飞入的粒子经过磁场偏转后能直接(不与其他挡板碰撞)打到挡板MP上,求所加磁场的方向和磁感应强度的范围.
(3)在第(2)问的前提下,以M为原点,沿MP方向建立x轴,求打到挡板MP上不同位置(用坐标x表示)的粒子在磁场中的运动时间.

【答案】分析:(1)、由题意可分析出带电粒子在两金属板间竖直方向的位移为d,水平方向的位移为2d,水平方向上做匀速直线运动,竖直方向上做自由落体运动,运用类平抛运动的知识可求出所施加的恒定电压.
(2)、根据题意,首先运用速度的合成求出带电粒子进入三角形区域时的速度,由偏转方向和左手定则可得知磁场的方向;再找出两个临界半径,一是带电粒子偏转轨道与NP相切时的轨道半径,二是正好达到M点时的轨道半径,从而确定轨道半径的范围,由带电粒子在磁场中受到的洛伦兹力提供向心力公式(),即可求出所加磁场的磁感应强度范围.
(3)、由射入磁场时的速度方向和达到MP时的速度方向确定圆心,由几何关系找出半径R与x的关系式,以及在磁场中运动的偏转角,再通过运动时间、偏转角和周期T的关系()可求出运动时间.
解答:解:
(1)由于带电粒子做类平抛运动,则有:
2d=vt…①
…②
①②联立得:…③
(2)设粒子在进入K时,竖直方向的分速度为vy,则有:
…④

得:…⑤
可知当θ=45°时,即粒子垂直MN板射入时,要使粒子直接打到MP板上,根据左手定则,可知所加磁场的方向垂直纸面向内.如图所示,当粒子进入磁场后做匀速圆周运动,偏转半径最大时恰好与NP相切;偏转半径最小时,KM为运动圆周的直径,设最大半径为RM,则由几何关系可知,△NMP与△NQO1相似,则有:


得:…⑥
因此,粒子做圆周运动的半径范围为:
…⑦
由于粒子在磁场中做圆周运动,故洛伦兹力提供向心力,即:
…⑧
联立⑤⑥⑦⑧式可得所加磁场的磁感应强度范围为:…⑨
(3)设粒子打到MP时,坐标为x,设偏转角为α,则由几何关系可得:
(R-a)2+x2=R2,…⑩
对应粒子在磁场中的运动时间为: 而…(11)
由⑧⑩(11)三式可得:…(12)
经分析(12)式只适用于
当,
答:(1)所施加的恒定电压的大小为
(2)所加磁场的方向为垂直纸面向内,磁感应强度的范围为
(3)、当偏转角,时间为;当,时间为
点评:带电粒子在电场中的运动,综合了静电场和力学的知识,分析方法和力学的分析方法基本相同.先分析受力情况再分析运动状态和运动过程(平衡、加速、减速,直线或曲线),然后选用恰当的规律解题.解决这类问题的基本方法有两种,第一种利用力和运动的观点,选用牛顿第二定律和运动学公式求解;第二种利用能量转化的观点,选用动能定理和功能关系求解.
本题将有界磁场变为三角形磁场,仍然突出考查单一物体的多过程问题.带电粒子在电场、磁场中的运动,涉及到电场、磁场的基本概念和规律,与力学中的牛顿运动定律和运动学公式、动能定理、平抛运动规律、匀速圆周运动规律等联系密切,综合性大,能充分考查考生的综合分析能力和应用数学处理物理问题的能力.解此类问题的关键是做出带电粒子运动的轨迹图,抓住物理过程变化的转折点(列出对应的状态方程),找出粒子运动的半径与磁场边界的约束关系.
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