题目内容

3.如图所示,在xoy坐标系坐标原点O处有一点状的放射源,它向xoy平面内的x轴上方各个方向发射α粒子,α粒子的速度大小均为v0,在0<y<d的区域内分布有指向y轴正方向的匀强电场,场强大小为E=$\frac{3mv_0^2}{2qd}$,其中q与m分别为α粒子的电量和质量;在d<y<2d的区域内分布有垂直于xoy平面向里的匀强磁场,mn为电场和磁场的边界.ab为一块很大的平面感光板垂直于xoy平面且平行于x轴,放置于y=2d处,如图所示.观察发现此时恰好无粒子打到ab板上.(q、d、m、v0均为已知量,不考虑α粒子的重力及粒子间的相互作用),求:
(1)α粒子通过电场和磁场边界mn时的速度大小及此时距y轴的最大距离;
(2)磁感应强度B的大小;
(3)将ab板至少向下平移多大距离才能使所有的粒子均能打到板上?此时ab板上被α粒子打中的区域的长度.

分析 (1)根据动能定理求出α粒子刚进人磁场时的动能.
(2)粒子沿x轴正方向射出的粒子进入磁场偏转的角度最大,若该粒子进入磁场不能打在ab板上,则所有粒子均不能打在ab板上.根据带电粒子在电场中类平抛运动,求出进入磁场中的偏转角度,结合几何关系得出轨道半径,从而得出磁感应强度的大小.
(3)沿x轴负方向射出的粒子若能打到ab板上,则所有粒子均能打到板上.其临界情况就是此粒子轨迹恰好与ab板相切.根据带电粒子在磁场中运动的轨道半径大小得出磁场的宽度,从而确定出ab板移动的位置,根据几何关系求出ab板上被α粒子打中的区域的长度.

解答 解:
(1)根据动能定理:$Eqd=\frac{1}{2}m{v^2}-\frac{1}{2}mv_0^2$
可得:v=2v0
初速度方向与x轴平行的粒子通过边界mn时距y轴最远,由类平抛知识:
沿电场线方向上有:$d=\frac{1}{2}a{t^2}$
由牛顿第二定律可得:Eq=ma
垂直于电场线方向上有:x=v0t
解得:$x=\frac{{2\sqrt{3}}}{3}d$
(2)根据上题结果可知:
对于沿x轴正方向射出的粒子进入磁场时与x轴正方向夹角:$θ=\frac{π}{3}$
易知若此粒子不能打到ab板上,则所有粒子均不能打到ab板,因此此粒子轨迹必与ab板相切,可得其圆周运动的半径:$r=\frac{2}{3}d$

又根据洛伦兹力提供向心力:$Bqv=\frac{{m{v^2}}}{r}$
可得:$B=\frac{{3m{v_0}}}{qd}$
(3)由分析可知沿x轴负方向射出的粒子若能打到ab板上,则所有粒子均能打到板上.其临界情况就是此粒子轨迹恰好与ab板相切.                               
由分析可知此时磁场宽度为原来的$\frac{1}{3}$,
则:ab板至少向下移动   $△y=\frac{2}{3}d$
沿x轴正方向射出的粒子打在ab板的位置粒子打在ab板区域的右边界
由几何知识可知:ab板上被粒子打中区域的长度:$L=2x+r=\frac{{4\sqrt{3}}}{3}d+\frac{2}{3}d$
答:(1)α粒子通过电场和磁场边界mn时的速度大小为2v0;此时距y轴的最大距离$\frac{2\sqrt{3}d}{3}$;
(2)磁感应强度B的大小为$\frac{3m{v}_{0}}{qd}$
(3)将ab板至少向下平移$\frac{2d}{3}$才能使所有的粒子均能打到板上;此时ab板上被α粒子打中的区域的长度为$\frac{4\sqrt{3}}{3}d$+$\frac{2d}{3}$.

点评 本题考查了带电粒子在电场和磁场中的运动,关键确定粒子运动的临界情况,通过几何关系解决,对学生数学几何能力要求较高.

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