题目内容

8.如图所示,一带电的粒子以v0=105m/s的速度从中央进入一平行板电容器中,初速度方向与电容器极板平行,之后与匀强磁场的AB边界成60°角的方向进入匀强磁场Ⅰ区,再与CD边界呈60°角方向进入匀强磁场Ⅱ区,最后垂直与EF边界射出,已知平行板电容器上下极板间的电压U=-50V,板间距d=15cm,板长L=20cm.磁场Ⅰ区和Ⅱ区的宽度均为l=10cm.(不计粒子重力)求:
(1)带电粒子的荷质比;
(2)磁场Ⅰ区和Ⅱ区的磁感应强度的大小;
(3)粒子在整个过程中所经历的时间.

分析 (1)粒子在电容器间做类平抛运动,结合平行四边形定则,根据牛顿第二定律和运动学公式求出比荷的大小.
(2)根据几何关系求出粒子磁场中的轨道半径,结合粒子的速度,通过半径公式求出磁感应强度的大小.
(3)根据粒子在电容器间水平方向上做匀速直线运动,求出偏转的时间,根据周期公式和圆心角求出粒子在两个磁场中的时间,从而得出总时间.

解答 解:(1)根据tan30°=$\frac{{v}_{y}}{{v}_{0}}=\frac{a{t}_{1}}{{v}_{0}}=\frac{qUl}{md{{v}_{0}}^{2}}$,
解得比荷$\frac{q}{m}=\frac{d{{v}_{0}}^{2}tan30°}{UL}$=$\frac{0.15×1{0}^{10}×\frac{\sqrt{3}}{3}}{50×0.2}C/kg=5\sqrt{3}×1{0}^{7}C/kg$.
(2)根据几何关系知,粒子在磁场区域Ⅰ中的圆心角为60度,则半径r1=l=10cm,
粒子进入磁场中的速度$v=\frac{{v}_{0}}{cos30°}=\frac{1{0}^{5}}{\frac{\sqrt{3}}{2}}=\frac{2\sqrt{3}}{3}×1{0}^{5}m/s$,
根据${r}_{1}=\frac{mv}{q{B}_{1}}$得,${B}_{1}=\frac{mv}{q{r}_{1}}=\frac{\frac{2\sqrt{3}}{3}×1{0}^{5}}{5\sqrt{3}×1{0}^{7}×0.1}T=\frac{1}{75}T$.
粒子在区域Ⅱ中的圆心角为30度,则半径r2=2l=20cm,
根据r=$\frac{mv}{qB}$知,半径之比为1:2,则磁感应强度之比为2:1,可知${B}_{2}=\frac{1}{2}{B}_{1}=\frac{1}{150}T$.
(3)粒子在电容器间运动的时间${t}_{1}=\frac{L}{{v}_{0}}=\frac{0.2}{1{0}^{5}}s=2×1{0}^{-6}s$,
粒子在磁场区域Ⅰ中的时间${t}_{2}=\frac{1}{6}{T}_{1}=\frac{1}{6}×\frac{2πm}{q{B}_{1}}$=$\frac{1}{6}×\frac{2π}{5\sqrt{3}×1{0}^{7}×\frac{1}{75}}s≈9×1{0}^{-7}s$.
粒子在磁场区域Ⅱ中的时间${t}_{3}=\frac{1}{12}{T}_{2}=\frac{1}{12}×\frac{2πm}{q{B}_{2}}$=$\frac{1}{12}×\frac{2π}{5\sqrt{3}×1{0}^{7}×\frac{1}{150}}s≈9×1{0}^{-7}s$,
则运动的总时间t=${t}_{1}+{t}_{2}+{t}_{3}=2×1{0}^{-6}+9×1{0}^{-7}+9×1{0}^{-7}$s=3.8×10-6s.
答:(1)带电粒子的荷质比为$5\sqrt{3}×1{0}^{7}C/kg$;
(2)磁场Ⅰ区和Ⅱ区的磁感应强度的大小分别为$\frac{1}{75}T、\frac{1}{150}T$;
(3)粒子在整个过程中所经历的时间为3.8×10-6s.

点评 本题考查了带电粒子在电场中的偏转和在磁场中做圆周运动,掌握处理类平抛运动的方法,以及掌握粒子在磁场中的半径公式和周期公式,关键作出运动的轨迹,结合几何关系进行求解,难度较大.

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