题目内容

9.如图所示,一个带负电的粒子沿磁场边界从A点射出,粒子质量为m、电荷量为-q,其中区域Ⅰ、Ⅲ内的匀强磁场宽为d,磁感应强度为B,区域Ⅱ宽也为d,粒子从A点射出后经过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域后能回到A点,不计粒子重力.
(1)求粒子从A点射出到回到A点经历的时间t.
(2)若在区域Ⅱ内加一水平向左的匀强电场且区域Ⅲ的磁感应强度变为2B粒子也能回到A点,求电场强度E的大小.
(3)若粒子经Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域后返回到区域Ⅰ前的瞬间使区域Ⅰ的磁场反向且磁感应强度减半,则粒子的出射点距A点的距离为多少?

分析 (1)如果粒子从A点射出后,经过区域1、2、3后又回到A点,由运动的对称性,画出粒子运动的轨迹,然后由几何关系求出半径和磁场中运动的周期,则粒子回到A点的周期是粒子在磁场中运动的时间与无磁场区域运动时间的和.
(2)根据动能定理表示在区域3的速度,由半径公式即可求出2区域的电场强度E;
(3)画出运动轨迹,根据几何知识求解距离.

解答 解:如果粒子从A点射出后,经过区域1、2、3后又回到A点,由运动的对称性可知,只有在粒子沿水平方向进入无磁场的区域时,粒子才能返回A点,画出粒子运动的轨迹如图粒子在1区和3区分别运动半个周期,所以粒子的半径r=d,
所以:v=$\frac{Bqd}{m}$
粒子运动的时间:T=$\frac{2πr+2d}{v}$=$\frac{2πm+2m}{Bq}$
(2)在区域Ⅱ由动能定理知qEd=$\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}$$-\frac{1}{2}m{v}^{2}$
由题意知在在Ⅲ内的半径仍为r=d
由2Bqv1=m$\frac{{v}_{1}^{2}}{r}$
联立得E=$\frac{3{B}^{2}dq}{2m}$
(3)改变区域Ⅰ磁场大小,则半径变为R=2r=2d
由$\frac{1}{2}$Bqv=m$\frac{{v}^{2}}{R}$
由几何知识知OC=$\sqrt{3}d$
即射出点到A距离为s=r+R-OC=(3$-\sqrt{3}$)d
答:(1)粒子从A点射出到回到A点经历的时间为$\frac{2πm+2m}{Bq}$.
(2)若在区域Ⅱ内加一水平向左的匀强电场且区域Ⅲ的磁感应强度变为2B粒子也能回到A点,电场强度E的大小为$\frac{3{B}^{2}dq}{2m}$.
(3)若粒子经Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域后返回到区域Ⅰ前的瞬间使区域Ⅰ的磁场反向且磁感应强度减半,则粒子的出射点距A点的距离为(3$-\sqrt{3}$)d

点评 解决此题关键是画出运动轨迹图,带电粒子在电磁场中的运动一般有直线运动、圆周运动和一般的曲线运动;直线运动一般由动力学公式求解,圆周运动由洛仑兹力充当向心力,一般的曲线运动一般由动能定理求解.

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