Question

如图所示，条形区域Ⅰ和Ⅱ内分别存在方向垂直于纸面向外和向里的匀强磁场，磁感应强度B的大小均为0.3T，AA′、BB′、CC′、DD′为磁场边界，它们相互平行，条形区域的长度足够长，磁场宽度及BB′、CC′之间的距离d=1m．一束带正电的某种粒子从AA′上的O点以沿与AA′成60°角、大小不同的速度射入磁场，当粒子的速度小于某一值v时，粒子在区域Ⅰ内的运动时间t=4×10^-6s；当粒子速度为v₁时，刚好垂直边界BB′射出区域Ⅰ．取π≈3，不计粒子所受重力． 求：
（1）粒子的比荷；
（2）速度v 和v₁的大小；
（3）速度为v₁的粒子从O到DD′所用的时间．

Answer 1

【答案】分析：（1）若粒子的速度小于某一值v时，则粒子不能从BB^′离开区域Ⅰ，只能从AA^′边离开区域Ⅰ，无论粒子速度大小，在区域Ⅰ中运动的时间相同，作出该粒子的轨迹图，根据几何关系得出圆心角的大小，再根据周期公式得出时间与周期的关系，从而得出粒子的比荷．
（2）当粒子速度为v时，粒子在区域I内的运动轨迹刚好与BB′边界相切，根据几何关系得出粒子运动的半径，再根据粒子在匀强磁场中运动的半径公式求出v 的大小．当粒子速度为v₁时，刚好垂直边界BB′射出区域Ⅰ．根据几何关系得出粒子的半径，再根据粒子在匀强磁场中运动的半径公式求出v₁ 的大小．
（3）速度为v₁的粒子在第一个磁场区和第二个磁场区运动的时间相等，根据几何关系求出在磁场区运动的圆心角，从而根据周期公式求出在磁场中运动的时间，粒子在无磁场区做匀速直线运动，根据运动学公式求出在无磁场区运动的时间，从而求出运动的总时间．
解答：解：（1）若粒子的速度小于某一值v时，则粒子不能从BB^′离开区域Ⅰ，只能从AA^′边离开区域Ⅰ，无论粒子速度大小，在区域Ⅰ中运动的时间相同，轨迹如图所示（图中只画了一个粒子的轨迹）．
粒子在区域Ⅰ内做圆周运动的圆心角为φ₁=240°，
运动时间：
又：
解得：C/kg 或3.3×10⁶C/kg  
（2）当粒子速度为v时，粒子在区域I内的运动轨迹刚好与BB′边界相切，此时有：
R+Rsin30°=d，
又：
得：m/s 
当粒子速度为v₁时，刚好垂直边界BB′射出区域Ⅰ，
此时轨迹所对圆心角φ₂=30，有：R₁sinφ₂=d  
又：
得：v₁=2×10⁶m/s    
（3）区域I、Ⅱ宽度相同，
则粒子在区域I、Ⅱ中运动时间均为
穿过中间无磁场区域的时间为：
×10^-7s 
则粒子从O₁到DD′所用的时间：
t=+t₁=1.5×10^-6s
答：（1）粒子的比荷为3.3×10⁶C/kg．
（2）速度v 和v₁的大小分别为、2×10⁶m/s．
（3）速度为v₁的粒子从O到DD′所用的时间为1.5×10^-6s．
点评：解决本题的关键作出粒子运动的轨迹图，通过几何关系找出粒子运动的半径以及圆心角的大小，掌握粒子在匀强磁场中运动的半径公式和周期公式．