题目内容

如图10所示,有一半径为R1=1m的圆形磁场区域,圆心为O,另有一外半径为R2=m、内半径为R1的同心环形磁场区域,磁感应强度大小均为B=0.5T,方向相反,均垂直于纸面,一带正电粒子从平行极板下板P点静止释放,经加速后通过上板小孔Q,垂直进入环形磁场区域,已知点PQO在同一竖直线上,上极板与环形磁场外边界相切,粒子比荷q/m=4×107C/kg,不计粒子的重力,且不考虑粒子的相对论效应,求:

(1)若加速电压U1=1.25×102V,则粒子刚进入环形磁场时的速度多大?

(2)要使粒子不能进入中间的圆形磁场区域,加速电压U2应满足什么条件?

(3)若改变加速电压大小,可使粒子进入圆形磁场区域,且能水平通过圆心O,最后返回到出发点,则粒子从Q孔进入磁场到第一次经过O点所用的时间为多少?

 


⑴(4分)

粒子在匀强电场中,由动能定理得:

 ………………………………①……………(2分)

 

解得:m/s……………………②…………(2分)

⑵(8分)

粒子刚好不进入中间圆形磁场的轨迹如图所示,在RQOO1中有:

.…………………....③………(2分)

解得r1=1m…………………………………④………(1分)

 


由              …………………… …⑤………(1分)

    

又由动能定理得:

......……………………………⑥…………(2分)

由以上④⑤⑥联立得

V……………………⑦…………(1分)

所以加速电压U2满足条件是

V………………………………⑧……………(1分)

⑶(7分)

粒子的运动轨迹如图所示,由于 OO­3Q共线且竖直,又由于粒子在两磁场中的半径相同,有

O2O3=2O2Q=2r2

由几何关系得∠AO­2O3=600,故粒子从Q孔进入磁场到第一次经过圆心O所用的时间

t=(T+T)= T……………………⑨………………(3分)

………………………………⑩…………………(2分)

由⑨⑩得t ≈1.83×10-7s……………………⑾………………(2分)

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