题目内容

5.如图所示,圆心为原点、半径为R的圆将xOy平面分为两个区域,即圆内区域Ⅰ和圆外区域Ⅱ.区域Ⅰ内有方向垂直于xOy平面的匀强磁场B1.平行于x轴的荧光屏垂直于xOy平面,放置在直线y=-$\sqrt{3}$R的位置.一束质量为m、电荷量为q、动能为E0的带正电粒子从坐标为(-R,0)的A点沿x轴正方向射入区域Ⅰ,当区域Ⅱ内无磁场时,粒子全部垂直打在荧光屏上坐标为(R,-$\sqrt{3}$R)的M点.若在区域Ⅱ内加上方向垂直于xOy平面的匀强磁场B2,上述粒子仍从A点沿x轴正方向射入区域Ⅰ,则粒子全部打在荧光屏上坐标为(2R,-$\sqrt{3}$R)的N点,不计粒子的重力和粒子间的相互作用.
(1)求打在M点和N点的粒子的运动速度v1、v2的大小;
(2)求区域Ⅰ和Ⅱ中磁感应强度B1、B2的大小和方向;
(3)在(2)的情况下,若没有荧光屏,则粒子是否能回到A点?若能回到A点,求出粒子从A点出发,经多长时间回到A点;若不能回到A点,请简要说明理由.

分析 (1)粒子在磁场中洛伦兹力不做功,粒子的动能不变,根据动能的大小求出粒子的速度大小.
(2)抓住粒子全部打在荧光屏上坐标为(0,-2.2R)的M点,根据荧光屏沿y轴负方向平移,粒子打在荧光屏上的位置不变,得出粒子在磁场区域Ⅰ中的轨迹,结合半径公式求出磁场的磁感应强度大小,根据偏转方向确定磁场的方向;根据粒子全部打在荧光屏上坐标为(0.4R,-2.2R)的 N点,作出轨迹,根据几何关系求出半径,从而得出磁感应强度的大小和方向.
(3)根据几何关系和对称性分析粒子能否A点.根据轨迹对应的圆心角求出粒子两个区域运动的时间,从而得到粒子回到A点的时间.

解答 解:(1)粒子在磁场中运动时洛伦兹力不做功,打在M点和N点的粒子动能均为E0,速度v1、v2大小相等,均设为v,则由E0=$\frac{1}{2}$mv2
得:v=$\sqrt{\frac{2{E}_{0}}{m}}$.
即v1=v2=$\sqrt{\frac{2{E}_{0}}{m}}$.
(2)如图所示,区域Ⅱ中无磁场时,粒子在区域Ⅰ中运动后打在M点,轨迹圆心是O1点,根据几何知识,可知OM与y轴负方向的夹角为30°,粒子在区域Ⅰ中运动的半径为:r1=$\sqrt{3}$R
区域Ⅱ有磁场时,粒子轨迹圆心是O2点,半径为r2,解得:r2=$\sqrt{3}$R
由qvB=m$\frac{{v}^{2}}{r}$
可得:B1=B2=$\frac{\sqrt{2m{E}_{0}}}{\sqrt{3}qR}$,B1的方向垂直xOy平面向外.B2的方向垂直xOy平面向里.
(3)根据几何关系,O2点在x轴上,根据对称性可知,粒子能回到A点
粒子在区域Ⅱ运动时间为$\frac{5}{6}$T
粒子在区域Ⅰ运动时间为$\frac{1}{3}$T
则粒子回到A点的时间为 t=$\frac{5}{6}$T+$\frac{1}{3}$T=$\frac{7}{6}$T=$\frac{7πm}{3Bq}$=$\frac{7πR}{6}$$\sqrt{\frac{6m}{{E}_{0}}}$
答:
(1)打在M点和N点的粒子的运动速度v1、v2的大小均为$\sqrt{\frac{2{E}_{0}}{m}}$.
(2)区域Ⅰ和Ⅱ中磁感应强度B1、B2的大小均为$\frac{\sqrt{2m{E}_{0}}}{\sqrt{3}qR}$,B1的方向垂直xOy平面向外.B2的方向垂直xOy平面向里.
(3)粒子能回到A点,粒子回到A点的时间为$\frac{7πR}{6}$$\sqrt{\frac{6m}{{E}_{0}}}$.

点评 处理带电粒子在磁场中的运动问题,关键作出粒子的运动轨迹,确定圆心、半径和圆心角是基础,通过半径公式和周期公式,结合几何关系进行求解.

练习册系列答案
相关题目

违法和不良信息举报电话:027-86699610 举报邮箱:58377363@163.com

精英家教网