题目内容

【题目】如图所示,在真空区域有半径不等的带电金属球面A和球面C,点O为它们共同的球心.球面A的电势为φA,球面C的电势为φC,仅在两球面之间存在辐向电场,其它空间无电场,球面C的半径为r,与球面C相切于O′点的直线边界线MN的另一侧充满了方向垂直于纸面向内的磁感应强度大小为B0的匀强磁场.一质量为m,电荷量为q的正电粒子甲自O点以大小为v0的初速度向小孔D(小孔尺寸远小于球面半径)发射,先后穿过金属球面上的小孔D、F,从边界线MN上的P点(图中未画出)进入磁场.已知FO′弧的弧度为.

(1)求粒子甲进入磁场时的速度大小,分析计算φA和φC应满足什么关系才能保证粒子甲穿出小孔F.

(2)粒子甲从边界线MN上的P′点(图中未画出)离开磁场,求P点与P′点的间距及粒子甲从P点运动至P′的时间.

(3)另一质量也为m,电荷量也为q的正电粒子乙自O点以大小为v0的初速度向小孔G发射,先后穿过金属球面上的小孔G、H,自边界线MN上Q点(图中未画出)进入磁场,又从Q′点(图中未画出)离开磁场,已知HO′弧的弧度也为.计算P′点与Q′点的间距,并判断当甲、乙两粒子在O点初速度大小增加到2v0,方向不变,再次让两粒子完成上述运动,则它们离开磁场时所在位置的间距将如何变化?

【答案】(1)

(2)

(3)

【解析】

本题考查带电粒子在磁场中的运动。

(1)两球面间的电势差

设进入磁场经过P点时的速度为v1

从O点到进入磁场的P点,由动能定理的:

代入得:

由

得:

(2)

圆周运动

得:

由几何关系得:

代入得:

(3)同理:

由几何关系得:

代入得:

故点与点的间距与磁场入射点P点和Q点的距离相同,

即

当v0增加后,再次让两粒子完成上述运动,则点与点的间距不变.

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