题目内容

7.如图甲所示,在xOy坐标平面的第一象限(包括x、y轴)内存在磁感应强度大小为B0、方向垂直于xOy平面且随时间做周期性变化的匀强磁场,如图乙所示,规定垂直xOy平面向里的磁场方向为正.在y轴左侧有一对竖直放置的平行金属板M、N,两板间的电势差为U0.一质量为m、电量为q的带正电粒子(重力和空气阻力均忽略不计),从贴近M板的中点无初速释放,通过N板小孔后从坐标原点O以某一速度沿x轴正方向垂直射入磁场中,经过一个磁场变化周期T0(T0未知)后到达第一象限内的某点P,此时粒子的速度方向恰好沿x轴正方向.

(1)求粒子进入磁场作匀速圆周运动时的运动半径;
(2)若粒子在t=0时刻从O点射入磁场中,求粒子在P点纵坐标的最大值ym及相应的磁场变化周期T0的值;
(3)若在上述(2)中,第一象限内y=ym处平行x轴放置有一屏幕,如图甲,磁场变化周期为上述(2)中T0,但M、N两板间的电势差U可以在U0<U<9U,范围内变化,粒子仍在t=0时刻从O点射入磁场中,求粒子可能击中的屏幕范围.

分析 (1)由动能定理求出粒子进入磁场时的速度,然后又洛伦兹力提供向心力求出粒子运动的半径;
(2)根据几何知识求出P点横坐标和纵坐标与粒子圆周运动半径的关系.根据粒子在第一象限运动的条件求解P点的纵坐标的最大值及相应的磁场变化周期T0的值.
(3)结合前两问的公式,写出粒子的半径的范围,然后画出粒子运动的轨迹图,最后结合几何关系得出粒子可能的范围.

解答 解:(1)设粒子被电场加速获得的速度是v0,由动能定理得:$q{U}_{0}=\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
解得:${v}_{0}=\sqrt{\frac{2q{U}_{0}}{m}}$
粒子进入磁场后做圆周运动的轨道半径为r,根据牛顿第二定律得$q{v}_{0}{B}_{0}=\frac{m{v}_{0}^{2}}{r}$
所以:$r=\frac{m{v}_{0}}{q{B}_{0}}=\frac{1}{{B}_{0}}•\sqrt{\frac{2m{U}_{0}}{q}}$
(2)设两段圆弧的圆心O1O2的连线与y轴夹角为θ,P点的纵坐标为y,圆心O2到y轴之间的距离为x,则由几何关系,得
  $\overline{O{O}_{1}}=\overline{P{O}_{2}}=r$,$\overline{{O}_{1}{O}_{2}}=2r$
   y=2r+2rcosθ
   sinθ=$\frac{x}{2r}$
保证粒子在第一象限内运动,x≥r
由几何关系可知当θ=30°时,y取最大,${y}_{m}=2r+2rcos30°=(2+\sqrt{3})r=(2+\sqrt{3})•$$\frac{1}{{B}_{0}}•\sqrt{\frac{2m{U}_{0}}{q}}$
设粒子在磁场中运动的周期为T,则$T=\frac{2πr}{{v}_{0}}=\frac{2πm}{q{B}_{0}}$由几何关系知粒子在磁场中转过(180°-30°)=150°时磁场开始改变方向,即在磁场变化的半个周期内粒子转过150°,则:$\frac{{T}_{0}}{2}=\frac{150°}{360°}•T=\frac{5}{12}T$
解得:${T}_{0}=\frac{5}{6}T=\frac{5πm}{3q{B}_{0}}$

(3)由U0<U<9U,和${v}_{0}=\sqrt{\frac{2q{U}_{0}}{m}}$得:v0<v<3v0.
在磁场中运动的半径:r<R<3r,运动轨迹如图,则由几何关系可得,打在屏幕上的范围的最左端如图中②所示,该点的横坐标:x1=0,
打在最右端的轨迹如图中③所示,由几何关系得:$({y}_{m}-{R}_{m})^{2}+{x}_{2}^{2}={R}_{m}^{2}$
联立解得:${x}_{2}=\sqrt{5+2\sqrt{3}}r$=$\sqrt{\frac{2(5+3\sqrt{3})m{U}_{0}}{q{B}_{0}^{2}}}$
粒子可能击中的屏幕范围是:$0≤x≤\sqrt{\frac{2(5+3\sqrt{3})m{U}_{0}}{q{B}_{0}^{2}}}$
答:(1)粒子进入磁场作匀速圆周运动时的运动半径是$\frac{1}{{B}_{0}}•\sqrt{\frac{2m{U}_{0}}{q}}$;
(2)若粒子在t=0时刻从O点射入磁场中,粒子在P点纵坐标的最大值是$\frac{2+\sqrt{3}}{{B}_{0}}•\sqrt{\frac{2m{U}_{0}}{q}}$,相应的磁场变化周期T0的值是$\frac{5πm}{3q{B}_{0}}$;
(3)粒子可能击中的屏幕范围是$0≤x≤\sqrt{\frac{2(5+3\sqrt{3})m{U}_{0}}{q{B}_{0}^{2}}}$.

点评 本题是带电粒子在交变磁场中运动的问题,画出粒子运动的轨迹,根据几何知识求解半径是关键.

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