题目内容
【题目】现代科学仪器常利用电场磁场控制带电粒子的运动,如图所示,真空中存在着多层紧密
相邻的匀强电场和匀强磁场,宽度均为d电场强度为E,方向水平向左;垂直纸面向里磁场的磁感应强度为B1,垂直纸面向外磁场的磁感应强度为B2,电场磁场的边界互相平行且与电场方向垂直.一个质量为
、电荷量为
的带正电粒子在第
层电场左侧边界某处由静止释放,粒子始终在电场、磁场中运动,不计粒子重力及运动时的电磁辐射.
![]()
(1)求粒子在第2层磁场中运动时速度
的大小与轨迹半径
;
(2)粒子从第n层磁场右侧边界穿出时,速度的方向与水平方向的夹角为
,试求
;
(3)若粒子恰好不能从第n层磁场右侧边界穿出,试问在其他条件不变的情况下,也进入第n层磁场,但比荷较该粒子大的粒子能否穿出该层磁场右侧边界,请简要推理说明之
【答案】(1)
; (2)
; (3)见解析;
【解析】(1)粒子在进入第2层磁场时,经两次电场加速,中间穿过磁场时洛伦兹力不做功,由动能定理,有:![]()
解得:![]()
粒子在第2层磁场中受到的洛伦兹力充当向心力,有:![]()
联立解得:![]()
(2)设粒子在第n层磁场中运动的速度为vn,轨迹半径为rn(下标表示粒子所在层数),
![]()
![]()
粒子进入到第n层磁场时,速度的方向与水平方向的夹角为
,从第n层磁场右侧边界突出时速度方向与水平方向的夹角为
,粒子在电场中运动时,垂直于电场线方向的速度分量不变,有:
![]()
由图根据几何关系可以得到:
![]()
![]()
联立可得:![]()
由此可看出
,
,…,
为一等差数列,公差为d,可得:
![]()
当n=1时,由下图可看出:
![]()
![]()
联立可解得:![]()
(3)若粒子恰好不能从第n层磁场右侧边界穿出,则:
,![]()
在其他条件不变的情况下,打印服务比荷更大的粒子,设其比荷为
,假设通穿出第n层磁场右侧边界,粒子穿出时速度方向与水平方向的夹角为
,由于
,则导致:![]()
说明
不存在,即原假设不成立,所以比荷较该粒子大的粒子不能穿出该层磁场右侧边界。