题目内容

【题目】如图所示,在xOy平面内以O为圆心,R为半径的圆形区域I内有垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为;一质量为m,电荷量为+q的粒子以速度v从A(R,0)点沿x轴负方向第一次进入磁场区域I,再次从区域I进入同心环形匀强磁场区域II,为使粒子经过区域II后能从Q点第二次回到区域I,需在区域II内加一垂直于纸面向里的匀强磁场,已知OQ与x轴负方向成30°角,不计粒子重力,试求:

(1)环形区域II跟圆形区域I中的磁场的磁感应强度大小之比;

(2)粒子从A点出发到再次经过A点所用的最短时间;

【答案】(1) (2)

【解析】(1)设粒子在区域I内做匀速圆周运动的半径为,则有,解得

由图中几何关系可知粒子从P点沿y轴方向进入磁场区域II,设粒子在区域II中的运动半径为,部分轨迹如图所示,由几何关系可知:

设区域II中的磁场的磁感应强度为,则有:,

由以上各式联立解得

(2)由粒子运动规律可知当粒子从内测磁场I沿劣弧经过A点时,应满足

根据数学知识可得:当m=4时,n=9,时间最短

当粒子由外侧磁场经优弧经过A点时,应满足

根据数学知识可得:当m=5时,n=12,时间最短

所以,当粒子由内测磁场I沿劣弧经过A点时,并且当m=4时,n=9,时间最短,

设粒子在区域I做匀速圆周运动的周期为,则在区域I运动的总时间为,

设粒子在区域II做匀速圆周运动的周期为,则在区域II运动的总时间为,

所以粒子从A点出发到再次经过A点所用的最短时间为

联立可得

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