题目内容

17.为了使粒子经过一系列的运动后,又以原来的速率沿相反方向回到原位置O点,设计了如图所示的电、磁场区域.左侧为两水平放置的平行金属板,板长均为l,区域Ⅰ(梯形PQCD)内有垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为B;区域Ⅱ(三角形APD)内的磁场方向与Ⅰ内相同,但是大小可以不同;区域Ⅲ(虚线PD之右、三角形APD之外)的磁场与Ⅱ内大小相等、方向相反.已知等边三角形AQC的边长为2l,AC边水平,P、D分别为AQ、AC的中点.QC边的中点N恰好在下金属板的右端点.带正电的粒子从平行金属板的中心轴线左端O点水平射入,在电场力作用下从N点以速度v垂直QC射入区域I,再从P点垂直AQ射入区域,又经历一系列运动后,返回O点.粒子重力忽略不计.求:
(1)该粒子在O点射入电场时的速度大小;
(2)该粒子的比荷;
(3)该粒子从O点出发,到再次回到O点的整个运动过程所用的时间.

分析 根据运动的合成与分解求解该粒子在O点射入电场时的速度大小;
由几何关系求得粒子圆周运动的半径,由牛顿第二定律求粒子的比荷;
带电粒子在电场、磁场中运动的总时间包括:电场总往返的时间t0,区域I中的时间t1,区域Ⅱ和Ⅲ中的时间t2

解答 解:(1)因为粒子以速度v垂直QC射入区域I,又因为QC为等边三角形AQC的左边,所以v跟水平方向的夹角为30°
设粒子在O点水平射入电场时的速度大小为v0,则:
v0=vcos30°
解得:v0=$\frac{\sqrt{3}}{2}$v
(2)设粒子的质量为m,电量为q,因为粒子在N点,P点的速度方向都跟磁场边界垂直,所以Q点为粒子在区域I中做匀速圆周运动的圆心,设半径为R,由几何关系得:
R=l
由牛顿第二定律和洛伦兹公式得:
qvB=m$\frac{{v}^{2}}{R}$
解得:$\frac{q}{m}$=$\frac{v}{Bl}$
(3)带电粒子在电场、磁场中运动的总时间包括:电场总往返的时间t0,区域I中的时间t1
区域Ⅱ和Ⅲ中的时间t2
在电场中:根据类平抛运动规律得 t0=2$\frac{l}{{v}_{0}}$
联立得:t0=$\frac{4\sqrt{3}l}{3v}$
在区域Ⅰ中:粒子的运动轨迹如图,是两段$\frac{1}{6}$圆弧,故,在区域I中的时间为:
t1=2×$\frac{πl}{3v}$
在区域Ⅱ和区域Ⅲ中:粒子做圆周运动的半径相同,设为r,
分析知,其运动轨迹如图甲或乙两种情况,

对于轨迹甲,由几何关系得:(4nr+3r)=l
解得:r=$\frac{l}{4n+3}$(n=0,1,2,3…)
分析可知,粒子在区域Ⅱ和Ⅲ中运动的总路程应为(2n+1+$\frac{1}{6}$)个圆周周长,即:
s=(2n+1+$\frac{1}{6}$)2πr
所以粒子在区域Ⅱ和Ⅲ内的运动时间为t2=$\frac{s}{v}$
联立得:t2=$\frac{(12n+7)πl}{3(4n+3)v}$
故粒子在全过程中运动的总时间为:t=t0+t1+t2=$\frac{4\sqrt{3}l}{3v}$+$\frac{(20n+13)πl}{3(4n+3)v}$(n=0,1,2,3…)
对于轨迹乙,由几何关系得:(4nr+r)=l
解得:r=$\frac{l}{4n+1}$(n=0,1,2,3…)
分析可知,粒子在区域Ⅱ和Ⅲ内运动的总路程应为(2n+$\frac{5}{6}$)个圆周周长,即:
s=(2n+$\frac{5}{6}$)×2πr
所以粒子在区域Ⅱ和Ⅲ中运动的时间为t2=$\frac{s}{v}$
解得:t2=$\frac{(12n+5)πl}{3(4n+1)v}$
所以粒子在全过程中运动的总时间为:t=t0+t1+t2=$\frac{4\sqrt{3}l}{3v}$+$\frac{(20n+7)πl}{3(4n+1)v}$(n=0,1,2,3…)
答:(1)该粒子在O点射入电场时的速度大小为$\frac{\sqrt{3}}{2}$v;
(2)该粒子的比荷$\frac{v}{Bl}$;
(3)该粒子从O点出发,到再次回到O点的整个运动过程所用的时间为$\frac{4\sqrt{3}l}{3v}$+$\frac{(20n+13)πl}{3(4n+3)v}$(n=0,1,2,3…)或$\frac{4\sqrt{3}l}{3v}$+$\frac{(20n+7)πl}{3(4n+1)v}$(n=0,1,2,3…).

点评 本题属于带电粒子在组合场中运动问题,综合性较强.磁场中圆周运动要画轨迹分析运动过程,探索规律,寻找半径与三角形边的关系是关键.

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