题目内容

3.如图所示,是一研究带电粒子运动的装置图,区域I中有垂直纸面向外的磁感应强度为B1的匀强磁场和竖起方向的匀强电场.平行板间距为2R,且足够长.区域II中有圆心坐标为(0,R),半径为R的圆形磁场,磁感应强度B2=$\frac{mυ}{qR}$方向垂直纸面向外,质量为m,电荷量为+q的速度不同的粒子从左侧射入区域I,经区域I后,只有沿x轴正向的速率为υ,分布宽度为2R的粒子射出,出射后的粒子进入区域Ⅱ,不计粒子重力.
(1)区域I中两极板哪板电势高?求两板间的电势差.
(2)求粒子经区域Ⅱ后到达x轴的位置坐标和从两板右端正中间射出的粒子在II区的运动时间;
(3)若在x轴下方有一磁场区域Ⅲ,让上述经区域Ⅱ射向区域Ⅲ的粒子变成分布宽度为4R,沿x轴负方向的粒子束,求区域Ⅲ的磁感应强度.

分析 (1)速度为v沿x轴正向运动的粒子在区域Ⅰ中做匀速直线运动,电场力与洛伦兹力平衡,列式可求得场强,由U=Ed求出两极板间的电势差.
(2)进入Ⅱ区中的粒子做圆周运动,由洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二定律可求得轨迹半径r=R,对任意平行于x轴射入的粒子,如自P点射入Ⅱ区,轨迹圆心为N,则PN=PM=R,出场区的点为Q,PMQN为一菱形,MQ垂直于x轴,即Q与坐标原点O重合,为所有粒子射出Ⅱ区的点,坐标为(0,0),粒子在Ⅱ区的运动轨迹为$\frac{1}{4}$圆周,粒子在Ⅱ区运动时间为$\frac{1}{4}$周期.
(3)由(2)知,平行粒子束入射到圆形磁场,若磁场区域的半径等于粒子圆周运动的半径,则能将粒子聚到一点射出场区;同理,从该点以不同方向射出的同速率粒子,经该磁场偏转,粒子会从场区平行出射.则可求得粒子在区域Ⅲ中的轨迹半径,即可求得区域Ⅲ的磁感应强度.

解答 解:(1)由题意知,下极板电势高.
由 qE=qvB1得
  E=vB1;
则两板间的电势差 U=E•2R=2RvB1.
(2)进入Ⅱ区中的粒子做圆周运动,轨迹半径为r,则
  qvB2=m$\frac{{v}^{2}}{r}$
又由题有:B2=$\frac{mυ}{qR}$
代入得 r=R
对任意平行于x轴射入的粒子,如自P点射入Ⅱ区,轨迹圆心为N,则PN=PM=R,出场区的点为Q,PMQN为一菱形,MQ垂直于x轴,即Q与坐标原点O重合,为所有粒子射出Ⅱ区的点,坐标为(0,0),则知粒子在Ⅱ区的运动轨迹为$\frac{1}{4}$圆周,粒子在Ⅱ区运动时间为 t2=$\frac{2πR}{4v}$
(3)由(2)知,平行粒子束入射到圆形磁场,若磁场区域的半径等于粒子圆周运动的半径,则能将粒子聚到一点射出场区;同理,从该点以不同方向射出的同速率粒子,经该磁场偏转,粒子会从场区平行出射. 
   自O点方向射出的粒子进入一与O相切的圆形磁场区Ⅲ,可使粒子平行出射,速度为v的粒子在Ⅲ区中圆周运动的半径 r′=R′=2R
由r′=$\frac{mv}{q{B}_{3}}$,得 R3=$\frac{mv}{2qR}$
答:
(1)区域I中下极板电势高,两板间的电势差为2RvB1.
(2)粒子经区域Ⅱ后到达x轴的位置坐标为(0,0),从两板右端正中间射出的粒子在II区的运动时间为$\frac{2πR}{4v}$;
(3)若在x轴下方有一磁场区域Ⅲ,让上述经区域Ⅱ射向区域Ⅲ的粒子变成分布宽度为4R,沿x轴负方向的粒子束,区域Ⅲ的磁感应强度为$\frac{mv}{2qR}$.

点评 本题是粒子在磁场中匀速圆周运动的问题.在磁场中圆周运动常用方法是画轨迹,由几何知识求半径.

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