题目内容

【题目】(18分)如图甲所示,相隔一定距离的竖直边界两侧为相同的匀强磁场区,磁场方向垂直纸面向里,在边界上固定两长为L的平行金属极板MN和PQ,两极板中心各有一小孔、,两极板间电压的变化规律如图乙所示,正反向电压的大小均为,周期为。在时刻将一个质量为、电量为()的粒子由静止释放,粒子在电场力的作用下向右运动,在时刻通过垂直于边界进入右侧磁场区。(不计粒子重力,不考虑极板外的电场)

(1)求粒子到达时的速度大小和极板距离

(2)为使粒子不与极板相撞,求磁感应强度的大小应满足的条件。

(3)若已保证了粒子未与极板相撞,为使粒子在时刻再次到达,且速度恰好为零,求该过程中粒子在磁场内运动的时间和磁感强度的大小

【答案】(1)(2)(3)

【解析】(1)粒子由至的过程中,根据动能定理得

①

由①式得

②

设粒子的加速度大小为,由牛顿第二定律得

③

由运动学公式得

④

联立③④式得

⑤

(2)设磁感应强度大小为B,粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为R,

由牛顿第二定律得 ⑥

要使粒子在磁场中运动时不与极板相撞,须满足

⑦

联立②⑥⑦式得

⑧

(3)设粒子在两边界之间无场区向左匀速运动的过程用时为,有

⑨

联立②⑤⑨式得 ⑩

若粒子再次达到时速度恰好为零,粒子回到极板间应做匀减速运动,设匀减速运动的时间为,根据运动学公式得

⑾

联立式得

⑿

设粒子在磁场中运动的时间为

⒀

联立⑩⑿⒀式得

⒁

设粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期为T,由式结合运动学公式得

⒂

由题意得

⒃

联立⒁⒂⒃式得

⒄

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