Question

如圖所示，在坐標(biāo)系xOy中，y軸右側(cè)有一勻強(qiáng)電場(chǎng)；在第二、三象限內(nèi)有一有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)，其上、下邊界無(wú)限遠(yuǎn)，右邊界為y軸、左邊界為平行于y軸的虛線，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直紙面向里。一帶正電，電量為q、質(zhì)量為m的粒子以某一速度自磁場(chǎng)左邊界上的A點(diǎn)射入磁場(chǎng)區(qū)域，并從O點(diǎn)射出，粒子射出磁場(chǎng)的速度方向與x軸的夾角θ＝45°，大小為v．粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡為紙面內(nèi)的一段圓弧，且弧的半徑為磁場(chǎng)左右邊界間距的倍。粒子進(jìn)入電場(chǎng)后，在電場(chǎng)力的作用下又由O點(diǎn)返回磁場(chǎng)區(qū)域，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后再次離開(kāi)磁場(chǎng)。已知粒子從A點(diǎn)射入到第二次離開(kāi)磁場(chǎng)所用的時(shí)間恰好等于粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期。忽略重力的影響。求：

（1）粒子經(jīng)過(guò)A點(diǎn)時(shí)速度的方向和A點(diǎn)到x軸的距離；

（2）勻強(qiáng)電場(chǎng)的大小和方向；

（3）粒子從第二次離開(kāi)磁場(chǎng)到再次到達(dá)磁場(chǎng)所用的時(shí)間。

 

Answer 1

【答案】

（1）（2）（3）

【解析】

試題分析：（1）如圖所示，設(shè)磁場(chǎng)左邊界與x軸相交于D點(diǎn)，過(guò)O點(diǎn)作速度v垂線O O₁，與MN相交于O₁點(diǎn)。由幾何關(guān)系可知，在直角三角形OO₁D中∠OO₁D =45º。設(shè)磁場(chǎng)左右邊界間距為d，則O O₁=d。

粒子第一次進(jìn)入磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)軌跡的圓心即為O₁點(diǎn)，圓孤軌跡所對(duì)的圓心角為45º，且O₁A為圓弧的半徑R。由此可知，粒子自A點(diǎn)射入磁場(chǎng)的速度與左邊界垂直。

A點(diǎn)到x軸的距離：  ①

由洛侖茲力公式、牛頓第二定律及圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，得：

   -②

聯(lián)立①②式得：

   ③

（2）依題意：勻強(qiáng)電場(chǎng)的方向與x軸正向夾角應(yīng)為135º。

設(shè)粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的周期為T(mén)，第一次在磁場(chǎng)中飛行的時(shí)間為t₁，有：

     ④

   ⑤

由幾何關(guān)系可知，粒子再次從O點(diǎn)進(jìn)入磁場(chǎng)的速度方向與磁場(chǎng)右邊夾角為45º。設(shè)粒子第二次在磁場(chǎng)中飛行的圓弧的圓心為O₂，O₂必定在直線OO₁上。設(shè)粒子射出磁場(chǎng)時(shí)與磁場(chǎng)右邊界交于P點(diǎn)，則∠O O₂P=90º。設(shè)粒子第二次進(jìn)入磁場(chǎng)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t₂，有：

   ⑥

設(shè)帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t₃，依題意得：

  ⑦

由勻變速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和牛頓定律可知：

  ⑧

   ⑨

聯(lián)立④⑤⑥⑦⑧⑨可得：

   ⑩

（3）由幾何關(guān)系可得：

故粒子自P點(diǎn)射出后將做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)。則沿電場(chǎng)方向做勻加速運(yùn)動(dòng)：

    ⑾

垂直電場(chǎng)方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)：

    ⑿

    ⒀    

聯(lián)立⑨⑩⑿⒀式得：

考點(diǎn)：帶電粒子的電偏轉(zhuǎn)、磁偏轉(zhuǎn)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)、勻速直線運(yùn)動(dòng)和牛頓定律等綜合知識(shí)。