题目内容

如图所示,粒子源S可以不断地产生质量为m、电荷量为+q的粒子。粒子从O1孔飘进(不计初速度)一水平方向的加速度电场区域I,再经小孔O2进入正交的匀强电场和匀强磁场区域II,电场强度大小为E,磁感应强度大小B1,方向如图。两平行虚线PQ、MN之间存在着水平向右的匀强磁场区域III,磁场应强度大小为B2。当在O1、O2间加上适当的电压U1时,粒子能沿图中虚线O2O3垂直于PQ进入区域III,并从MN边飞出。现将一块不带电的、宽度和厚度均不计的直角状硬质塑料板abc放置在区域III内,a、c两点恰分别位于PQ、MN上,ac连线与O2O3平行,ab=bc=L,α=45°,仍使粒子沿图中虚线O2O3进入区域III,发现粒子仍能从MN边飞出。粒子的重力不计。

   (1)求加速电压U1;

   (2)假设粒子与硬质塑料板相碰后,速度大小不变,方向变化遵守光的反射定律,求粒子在区域III中运动时,由于塑料板的放入而延迟的从MN边飞出的时间;

   (3)粒子在区域III内运动的总路程。

(1)粒子从O1到O2: 

    粒子从O2到O3:  

    解得:

(2)区域III内无塑料板时: 

    区域III内放入塑料板后,粒子从O3以速度v0进入区域III,先做匀速直线运动,打到ab板上,反弹后以速度v0垂直于磁场B2方向运动。粒子将以半径R在垂直于磁场的平面内作匀速圆周运动,转动一周后打到ab板的下部。由于不计板的厚度,所以粒子从第一次打到ab板到第二次打到ab板后运动的时间为粒子在磁场运动一周的时间,即一个周期T。粒子在磁场中共碰到2块板,做圆周运动所需的时间为t1=2T,有:

              

    粒子在磁场中做圆周运动所用的时间为:  

    粒子在磁场中沿v0方向运动的时间为:

    所以,由于塑料板的存在而延尺的时间为:  

    解得:  

(3)粒子在区域III内运动的路程为: 

    解得:  

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