题目内容


如图所示,半径足够大的两半圆形区域I和II中存在与纸面垂直的匀强磁场,两半圆形的圆心分别为O、O’,两条直径之间有一宽度为d的矩形区域,区域内加上电压后形成一匀强电场。一质量为m、电荷量为+q的带电粒子(不计重力),以初速度v0从M点沿与直径成30o角的方向射入区域I,而后从N点沿与直径垂直的方向进入电场,N点与M点间的距离为L0,粒子第一次离开电场时的速度为2v0,随后将两直径间的电压调为原来的2倍,粒子又两进两出电场,最终从P点离开区域II。已知P点与圆心为O’的直径间的距离为L,与最后一次进入区域II时的位置相距L,求:

    (1)区域I内磁感应强度B1的大小与方向;

    (2)矩形区域内原来的电压和粒子第一次在电场中运动的时间;

    (3)大致画出粒子整个运动过程的轨迹,并求出区域II内磁场的磁感应强度B2的大小;

    (4)粒子从M点运动到P点的时间。


 ⑴粒子在I内速度方向改变了120°,由几何关系知,轨迹对应的圆心角

α=120°………………………………………………(1分)

  …………………………………………………………………(1分)

  …………………………………………………………(1分)

 

  ……………………………………………………………(1分)

B1方向垂直于纸面向外  …………………………………………………………(1分)

⑵粒子第一次在电场中运动由动能定理:

  ………………………………………………………(1分)

  ……………………………………………………………………(1分)

  …………………………………………………………………(1分)

  …………………………………………(1分)

⑶粒子第二次进入电场中,设粒子运动x距离时速度为0

  …………(1分)

  ………………………………(1分)

∴粒子不能进入区域I,而是由速度为0开始反向加速进入区域II,粒子整个运动过程的大致轨迹如图所示。…(1分)

对粒子在区域II内运动的最后一段轨迹:

  …………………(1分)

β=60°,最后一段轨迹对应的圆心角φ=60°…………………………………(1分)

  …………………………………………………………………(1分)

 

  …………………………………………………………(1分)

⑷在区域I中运动时间t0

  …………………………………………………………(1分)

粒子第二次在电场中运动的时间t2

  ……………………………………………………………………(1分)

  …………………………………………………………………(1分)

从粒子第二次进入电场到最终离开区域II,粒子在电场中运动的总时间

t2′=4t2=  ……………………………………………………………………(1分)

粒子在区域II的所有圆弧上运动的时间:

  …………………………………………………(1分)

粒子从M点运动到P点的时间:

t= t0 t1 t2′+ t3=  ………………………………(1分)


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