题目内容

14.在纸面内固定一边长为L的等边三角形框架abc,荧光屏ef平行ac边放置,ef与ac的距离为$\frac{1}{10}$L,整个装置处在垂直纸面向外、磁感应强度大小为B的匀强磁场中.质量为m、电荷量为+q的粒子从a点在纸面内沿垂直ab边的方向射出,如图所示,最终经c点进入acfe区域.若粒子与三角形框架ab、bc边碰撞,则在碰撞过程中粒子不损失能量且电荷量保持不变,并要求碰撞时速度方向与被碰边垂直,不计粒子的重力.求:
(1)若粒子与ab边发生多次碰撞,相邻两次碰撞的时间间隔;
(2)粒子做圆周运动的半径;
(3)粒子从a点到第一次通过c点过程中通过的路程;
(4)若粒子能够打到荧光屏ef上,粒子从a点发射时的速度大小.

分析 (1)由于射出方向与边框垂直,所以粒子每转半周后就与边框碰撞,所以时间之差就是粒子做匀速圆周运动周期的一半.
(2)考虑到每碰撞一次向上偏移2R,最后一次碰撞恰为一个半径,则极板长应为半径的奇数倍.列出关系,从而求出半径的值,显然是关于n的多解性.
(3)求总路程要注意的是从ab边转到bc边这一过程的路程为$\frac{5}{6}×2πR$,其余第碰撞一次是πR,然后把每次碰撞之和相加,就是总路程.
(4)要使粒子打到荧光屏上,则考虑轨迹与ef相切的情况.由几何关系确定粒子只能是从a出发直接到达c点,才符合此要求,于是半径只能是L,从而求出此种情况下的速度.

解答 解:(1)相邻两次碰撞时间间隔:$t=\frac{T}{2}$
由$qvB=m\frac{{v}^{2}}{R}$   $T=\frac{2πR}{v}$   
得:t=$\frac{πm}{qB}$
(2)由题意可知:L=(2n+1)R    (n=0、1、2、3、…)
 得:R=$\frac{L}{2n+1}$     (n=0、1、2、3、…)
(3)粒子做匀速圆周运动过程中一个周期通过的路程S0=2πR=$\frac{2πL}{2n+1}$     (n=0、1、2、3、…)
粒子从a点射出后,第一次通过c点过程中通过的路程:Soc=$(n+\frac{5}{6}){S}_{0}$    (n=0、1、2、3、…)
得:Soc=$\frac{πL(6n+5)}{3(2n+1)}$    (n=0、1、2、3、…)
(4)如图所示,由题意可知:θ=30° 
 假设粒子恰好与ef相切,满足:$R′cos30°=R′-\frac{1}{10}L$  
得:$R′=\frac{2+\sqrt{3}}{5}L$<L    代入R=$\frac{L}{2n+1}$ (n=0、1、2、3、…)得:$n=\frac{9-5\sqrt{3}}{2}=0.17$
若粒子能够打到荧光屏ef上,只有n=0满足条件.
此时,粒子从a点发射时的速度为v,由R=L=$\frac{mv}{qB}$  得:v=$\frac{qBL}{m}$
答:(1)若粒子与ab边发生多次碰撞,相邻两次碰撞的时间间隔为$\frac{πm}{qB}$.
(2)粒子做圆周运动的半径为$\frac{L}{2n+1}$   (n=0、1、2、3、…).
(3)粒子从a点到第一次通过c点过程中通过的路程为$\frac{πL(6n+5)}{3(2n+1)}$ (n=0、1、2、3、…).
 (4)若粒子能够打到荧光屏ef上,粒子从a点发射时的速度大小为$\frac{qBL}{m}$.

点评 本题的靓点有:①粒子做匀速圆周运动的多解性,由于没有告诉磁感应强度大小,也不告诉碰撞的次数,所以要设想碰撞n次,写出边长与半径的关系.②要能够打到荧光屏上是一个更含蓄的结论,选写出符合此条件的半径满足的几何关系,将前一问的半径式进行比较,从而求出碰撞次数,于是求出了速度.

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