题目内容

【题目】如图所示,在竖直平面内,第二象限存在方向竖直向下的匀强电场(未画出),第一象限内某区域存在一边界为矩形、磁感应强度B0=0.1 T、方向垂直纸面向里的匀强磁场(未画出),A(m,0)处在磁场的边界上,现有比荷=108 C/kg的离子束在纸面内沿与x轴正方向成θ=60°角的方向从A点射入磁场,初速度范围为×106 m/s≤v0≤106 m/s,所有离子经磁场偏转后均垂直穿过y轴正半轴,进入电场区域。x轴负半轴上放置长为L的荧光屏MN,取π2=10,不计离子重力和离子间的相互作用。

(1)求矩形磁场区域的最小面积和y轴上有离子穿过的区域长度;

(2)若速度最小的离子在电场中运动的时间与在磁场中运动的时间相等,求电场强度E的大小(结果可用分数表示);

(3)在第(2)问的条件下,欲使所有离子均能打在荧光屏MN上,求荧光屏的最小长度及M点的坐标。

【答案】(1) m2 ,m,(2)×104 V/m,(3),(-m,0)。

【解析】

(1)由洛伦兹力提供向心力,得

qvB=

rmax==0.1 m

根据几何关系可知,速度最大的离子在磁场中做圆周运动的圆心恰好在y轴B(0,m)点,如图甲所示,离子从C点垂直穿过y轴。根据题意,所有离子均垂直穿过y轴,即速度偏向角相等,AC连线是磁场的边界。速度最小的离子在磁场中做圆周运动的半径:

rmin==m

甲          乙

速度最小的离子从磁场离开后,匀速前进一段距离,垂直y轴进入电场,根据几何知识,离子恰好从B点进入电场,如图乙所示,故y轴上B点至C点区域有离子穿过,且

BC=m

满足题意的矩形磁场应为图乙中所示,由几何关系可知矩形长m,宽m,面积:

S=m2;

(2)速度最小的离子从B点进入电场,离子在磁场中运动的时间:

t1=T=·

离子在电场中运动的时间为t2,则:

BO=··

又因:

t1=t2

解得:E=×104 V/m;

(3)离子进入电场后做类平抛运动:

BO=··

水平位移大小:

x1=vB·t′1

同理:

CO=··

水平位移大小:

x2=vC·t′2

得:x1=m,x2=m

荧光屏的最小长度:

Lmin=x2-x1=m

M点坐标为(-m,0)。

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