题目内容

如图所示,在真空区域内,有宽度为L的匀强磁场,磁感应强度为B,磁场方向垂直纸面向里,MN、PQ是磁场的边界.质量为m,带电量为-q的粒子,先后两次沿着与MN夹角为θ(0<θ<90°)的方向垂直磁感线射入匀强磁场B中,第一次,粒子是经电压U1加速后射入磁场,粒子刚好没能从PQ边界射出磁场.第二次粒子是经电压U2加速后射入磁场,粒子则刚好垂直PQ射出磁场.不计重力的影响,粒子加速前速度认为是零,求:加速电压
U1U2
的值.
分析:画出粒子在磁场中运动的轨迹,由几何知识求出轨迹的半径.带电粒子在磁场中由洛伦兹力提供向心力,根据牛顿第二定律求出速度,再根据动能定理研究粒子在电场中加速过程,即可求出加速电压及加速电压之比.
解答:解:经电压U1加速后粒子射入磁场后刚好不能从PQ边界射出磁场,表明在磁场中做匀速圆周运动的轨迹与PQ边界相切,要确定粒子做匀速圆周运动的圆心O的位置,如图甲所示,圆半径R1与L的关系式为:L=R1+R1cosθ,R1=
L
1+cosθ

又  qv1B=
m
v
2
1
R

解得v1=
BqL
m(1+cosθ)

经电压U2加速后以速度v2射入磁场,粒子刚好垂直PQ射出磁场,可确定粒子在磁场中做匀速圆周运动的圆心在PQ边界线的O点,如图乙所示,半径R2与磁场宽L的关系式为  R2=
L
cosθ

又qv2B=
m
v
2
2
R

解得v2=
BqL
mcosθ

在加速电场中,根据动能定理得  U1q=
1
2
m
v
2
1
  U2q=
1
2
m
v
2
2

所以
U1
U2
=
v
2
1
v
2
2
=
cos2θ
(1+cosθ)2

答:加速电压
U1
U2
的值等于
cos2θ
(1+cosθ)2
.
点评:本题中带电粒子先加速后在磁场中偏转,电场中运用动能定理求解速度,在磁场中画轨迹,由几何知识求出半径,都是必须掌握的常用方法.
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