题目内容
20.(1)求带电粒子的速率;
(2)若粒子源可置于磁场中任意位置,且磁场的磁感应强度大小变为$\frac{B}{4}$,求粒子在磁场中最长的运动时间.
分析 (1)由题意,粒子源置于圆心O,则所有粒子刚好都不离开磁场,得出粒子做圆周运动的半径,然后结合洛伦兹力通过向心力即可求出粒子的速率;
(2)磁场的磁感应强度大小变为$\frac{B}{4}$后,由半径公式可知粒子的半径变大,所以粒子轨迹的弦最长时,粒子运动的时间最长,结合几何关系即可得出偏转的角度,然后结合周期公式即可解答.
解答 解:(1)粒子源置于圆心O,则所有粒子刚好都不离开磁场,粒子离开出发点最远的距离为轨道半径的2倍,R0=2r
$qvB=\frac{m{v}^{2}}{r}$
解得:$v=\frac{qB{R}_{0}}{2m}$.
(2)设磁场的大小变为$\frac{B}{4}$后,粒子的轨道半径为r1:$qv•\frac{B}{4}=\frac{m{v}^{2}}{{r}_{1}}$
r1=2R0.
根据几何关系可以得到,当弦最长时,运动的时间最长.画出粒子运动的某一条轨迹如图,![]()
可知,弦为2R0时最长,圆心角60°.
$t=\frac{60°}{360°}•T$
而:$T=\frac{2πm}{q•\frac{B}{4}}=\frac{8πm}{qB}$
解得:$t=\frac{4πm}{3qB}$.
答:(1)带电粒子的速率是$\frac{qB{R}_{0}}{2m}$;
(2)若粒子源可置于磁场中任意位置,且磁场的磁感应强度大小变为$\frac{B}{4}$,粒子在磁场中最长的运动时间$\frac{4πm}{3qB}$.
点评 带电粒子在匀强磁场中匀速圆周运动问题,关键是画出粒子圆周的轨迹,往往用数学知识求半径.
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