题目内容

19.如图所示,在矩形区域abcd内充满垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为B.在ad边中点O的粒子源,在t=0时刻垂直于磁场发射出大量的同种带电粒子,所有粒子的初速度大小相同,方向与Od的夹角分布在0~180°范围内.已知沿Od方向发射的粒子在t=t0时刻刚好从磁场边界cd上的p点离开磁场,ab=1.5L,bc=$\sqrt{3}$L,粒子在磁场中做圆周运动的半径R=L,不计粒子的重力和粒子间的相互作用,求:
(1)粒子带电的电性和粒子在磁场中的运动周期T;
(2)粒子的比荷;
(3)粒子在磁场中运动的最长时间.

分析 (1)由粒子沿Od方向发射从磁场边界cd上的p点离开磁场,说明粒子受向右的洛伦兹力向右偏,由左手定则知粒子带正电荷,画出运动轨迹,根据几何知识求解偏转角,根据角度和时间关系求解周期;
(2)粒子做圆周运动的向心力由洛仑兹力提供,根据牛顿第二定律得:$q{v_0}B=m\frac{{{v_0}^2}}{r}$和T=$\frac{2πR}{{v}_{0}}$知比荷;
(3)画出运动轨迹,弦最长为2L,找到对应的最大圆心角,从而知最长时间.

解答 解:(1)由粒子沿Od方向发射从磁场边界cd上的p点离开磁场,说明粒子受向右的洛伦兹力向右偏,由左手定则知粒子带正电荷       
初速度沿Od方向发射的粒子在磁场中运动的轨迹如图1,其圆心为θ,
由几何关系有:sinθ=$\frac{\sqrt{3}}{2}$
所以:θ=60°
$\frac{{t}_{0}}{T}$=$\frac{θ}{360°}$
解得:T=6t0                                 
(2)粒子做圆周运动的向心力由洛仑兹力提供,根据牛顿第二定律得:
$q{v_0}B=m\frac{{{v_0}^2}}{r}$

T=$\frac{2πR}{{v}_{0}}$
带电微粒在磁场中做圆周运动的周期为$T=\frac{2πm}{qB}$
联立以上式子解得$\frac{q}{m}$=$\frac{π}{3{B}_{0}{t}_{0}}$
(3)如图2所示,在磁场中运动时间最长的粒子的轨迹的弦Ob=$\sqrt{3}$L,圆轨迹的直径为2L,所以:Ob弦对应的圆心角为120°,粒子在磁场中运动的最长时间  tmax=$\frac{T}{3}$=2t0          
答:(1)粒子在磁场中的运动周期T为6t0;
(2)粒子的比荷为$\frac{π}{3B{t}_{0}}$;
(3)粒子在磁场中运动的最长时间为2t0.

点评 本题考查分析和处理粒子在磁场中运动的轨迹问题,难点在于分析时间的最大值,也可以运用极限分析法分析.

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