一足夠長的矩形區(qū)域abcd內(nèi)充滿磁感應強度為B，方向垂直紙面向里的勻強磁場，矩形區(qū)域的左邊界ad長為L，現(xiàn)從ad中點O垂直于磁場射入一速度方向與ad邊夾角為30°，大小為v0的帶正電粒子，如圖所示，已知粒子電荷量為q,質量為m（重力不計）：

（1）若要求粒子能從ab邊射出磁場，v0應滿足什么條件？

（2）若要求粒子在磁場中運動的時間最長，粒子應從哪一條邊界處射出，出射點位于該邊界上何處？最長時間是多少？

解：當軌跡與cd邊相切時，是粒子能從ab邊射出磁場區(qū)域時軌跡圓半徑最大的情況，設此半徑為R1，如圖1所示分析可知∠OO′Q=60°，則有R1cos60°+=R1,R1=L。當軌跡圓與ab邊相切時，是粒子能從ab邊射出磁場區(qū)域時軌跡圓半徑最小的情況，設此半徑為R2，如圖2所示分析可知∠OO′Q=120°，則有

         

(圖1)                               (圖2)

R2sin30°+R2=,R2=

故粒子從ab邊射出的條件為R2＜R≤R1,即＜R≤L。

根據(jù)qv0B=得v0=。所以＜v0≤

（2）由T=，則t=

∴粒子在磁場區(qū)域內(nèi)做勻速圓周運動的圓心角越大，粒子在磁場中運動時間越長。從兩圖中可以看出，如果粒子從cd邊射出，則圓心角最大為60°，若粒子從ab邊射出，則圓心角最大為240°，粒子從ad邊射出，圓心角最大為360°－60°＝300°，由于磁場無右邊界，故粒子不可能從右側射出。

綜上所述，為使粒子在磁場中運動的時間最長，粒子應從ad邊射出，如圖2所示，設出射點到O的距離為x，從圖中可以看出，P點是離O距離最大的出射點。

因PO=R2=故x≤，即出射點到O的距離不超過，tmax=。


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相關習題

科目：高中物理 來源： 題型：

選做題．在以下兩題中選擇一題完成．多做不加分
如圖所示，足夠長的矩形區(qū)域abcd內(nèi)充滿磁感應強度為B、方向垂直紙面向里的勻強磁場，現(xiàn)從ad邊的中心O點處，垂直磁場方向射入一速度為v0的帶正電粒子，v0與ad邊的夾角為30°．已知粒子質量為m，帶電量為q，ad邊長為L，不計粒子的重力．
（1）求要使粒子能從ab邊射出磁場，v0的大小范圍．
（2）粒子在磁場中運動的最長時間是多少？在這種情況下，粒子將從什么范圍射出磁場？
19-B湯姆生用來測定電子的比荷（電子的電荷量與質量之比）的實驗裝置如圖所示，真空管內(nèi)的陰極K發(fā)出的電子（不計初速、重力和電子間的相互作用）經(jīng)加速電壓加速后，穿過A′中心的小孔沿中心軸O1O的方向進入到兩塊水平正對放置的平行極板P和P'間的區(qū)域．當極板間不加偏轉電壓時，電子束打在熒光屏的中心O點處，形成了一個亮點；加上偏轉電壓U后，亮點偏離到O′點，（O′與O點的豎直間距為d，水平間距可忽略不計．此時，在P和P′間的區(qū)域，再加上一個方向垂直于紙面向里的勻強磁場．調(diào)節(jié)磁場的強弱，當磁感應強度的大小為B時，亮點重新回到O點．已知極板水平方向的長度為L1，極板間距為b，極板右端到熒光屏的距離為L2（如圖所示）．
（1）求打在熒光屏O點的電子速度的大�。�
（2）推導出電子的比荷的表達式

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科目：高中物理 來源： 題型：

如圖，一足夠長的固定斜面與水平方向成α=37？角，空間有垂直于斜面的無限多個勻強磁場，其磁感應強度的大小均為B=0.5T，相鄰磁場區(qū)域的磁場方向相反．每個磁場區(qū)域的寬度均為L1=0.1m，磁場區(qū)的邊界均與斜面底邊平行．現(xiàn)有一質量為m=0.05kg、電阻為R=0.5Ω的矩形金屬框abcd沿此斜面下滑，已知ad=L1=0.1m，ab=L2=0.2m，下滑過程中，金屬框的ab邊始終與斜面底邊平行，金屬框與斜面間的動摩擦因數(shù)為μ=0.2，金屬框下滑距離s=3m時速度達到最大，求：
（1）金屬框下滑的最大速度；
（2）當金屬框下滑的加速度為a=2m/s2時，金屬框的焦耳熱功率；
（3）從開始下滑到速度達到最大的過程中金屬框中產(chǎn)生的焦耳熱量．

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科目：高中物理 來源：不詳 題型：問答題

選做題．在以下兩題中選擇一題完成．多做不加分
如圖所示，足夠長的矩形區(qū)域abcd內(nèi)充滿磁感應強度為B、方向垂直紙面向里的勻強磁場，現(xiàn)從ad邊的中心O點處，垂直磁場方向射入一速度為v0的帶正電粒子，v0與ad邊的夾角為30°．已知粒子質量為m，帶電量為q，ad邊長為L，不計粒子的重力．
（1）求要使粒子能從ab邊射出磁場，v0的大小范圍．
（2）粒子在磁場中運動的最長時間是多少？在這種情況下，粒子將從什么范圍射出磁場？
19-B湯姆生用來測定電子的比荷（電子的電荷量與質量之比）的實驗裝置如圖所示，真空管內(nèi)的陰極K發(fā)出的電子（不計初速、重力和電子間的相互作用）經(jīng)加速電壓加速后，穿過A′中心的小孔沿中心軸O1O的方向進入到兩塊水平正對放置的平行極板P和P'間的區(qū)域．當極板間不加偏轉電壓時，電子束打在熒光屏的中心O點處，形成了一個亮點；加上偏轉電壓U后，亮點偏離到O′點，（O′與O點的豎直間距為d，水平間距可忽略不計．此時，在P和P′間的區(qū)域，再加上一個方向垂直于紙面向里的勻強磁場．調(diào)節(jié)磁場的強弱，當磁感應強度的大小為B時，亮點重新回到O點．已知極板水平方向的長度為L1，極板間距為b，極板右端到熒光屏的距離為L2（如圖所示）．
（1）求打在熒光屏O點的電子速度的大�。�
（2）推導出電子的比荷的表達式

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科目：高中物理 來源：2010-2011學年上海市徐匯區(qū)高三（上）期末物理試卷（解析版） 題型：解答題

如圖，一足夠長的固定斜面與水平方向成α=37？角，空間有垂直于斜面的無限多個勻強磁場，其磁感應強度的大小均為B=0.5T，相鄰磁場區(qū)域的磁場方向相反．每個磁場區(qū)域的寬度均為L1=0.1m，磁場區(qū)的邊界均與斜面底邊平行．現(xiàn)有一質量為m=0.05kg、電阻為R=0.5Ω的矩形金屬框abcd沿此斜面下滑，已知ad=L1=0.1m，ab=L2=0.2m，下滑過程中，金屬框的ab邊始終與斜面底邊平行，金屬框與斜面間的動摩擦因數(shù)為μ=0.2，金屬框下滑距離s=3m時速度達到最大，求：
（1）金屬框下滑的最大速度；
（2）當金屬框下滑的加速度為a=2m/s2時，金屬框的焦耳熱功率；
（3）從開始下滑到速度達到最大的過程中金屬框中產(chǎn)生的焦耳熱量．

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科目：高中物理 來源：《第2章 磁場》2007年單元測試卷（蘇苑高級中學）（解析版） 題型：解答題

選做題．在以下兩題中選擇一題完成．多做不加分
如圖所示，足夠長的矩形區(qū)域abcd內(nèi)充滿磁感應強度為B、方向垂直紙面向里的勻強磁場，現(xiàn)從ad邊的中心O點處，垂直磁場方向射入一速度為v的帶正電粒子，v與ad邊的夾角為30°．已知粒子質量為m，帶電量為q，ad邊長為L，不計粒子的重力．
（1）求要使粒子能從ab邊射出磁場，v的大小范圍．
（2）粒子在磁場中運動的最長時間是多少？在這種情況下，粒子將從什么范圍射出磁場？
19-B湯姆生用來測定電子的比荷（電子的電荷量與質量之比）的實驗裝置如圖所示，真空管內(nèi)的陰極K發(fā)出的電子（不計初速、重力和電子間的相互作用）經(jīng)加速電壓加速后，穿過A′中心的小孔沿中心軸O1O的方向進入到兩塊水平正對放置的平行極板P和P'間的區(qū)域．當極板間不加偏轉電壓時，電子束打在熒光屏的中心O點處，形成了一個亮點；加上偏轉電壓U后，亮點偏離到O′點，（O′與O點的豎直間距為d，水平間距可忽略不計．此時，在P和P′間的區(qū)域，再加上一個方向垂直于紙面向里的勻強磁場．調(diào)節(jié)磁場的強弱，當磁感應強度的大小為B時，亮點重新回到O點．已知極板水平方向的長度為L1，極板間距為b，極板右端到熒光屏的距離為L2（如圖所示）．
（1）求打在熒光屏O點的電子速度的大�。�
（2）推導出電子的比荷的表達式

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