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【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。

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