Question

16．自由電子激光器是利用高速電子束射入方向交替變化的磁場，使電子在磁場中擺動著前進，進而產(chǎn)生激光的一種裝置．在磁場中建立與磁場方向垂直的平面坐標(biāo)系xoy，如圖甲所示．方向交替變化的磁場隨x坐標(biāo)變化的圖線如圖乙所示，每個磁場區(qū)域的寬度L=$\frac{3}{10}$$\sqrt{3}$m，磁場的磁感應(yīng)強度大小B₀=3.75×10^-4T，規(guī)定磁場方向垂直紙面向外為正方向．現(xiàn)將初速度為零的電子經(jīng)電壓u=4.5×10³V的電場加速后，從坐標(biāo)原點沿x軸正方向射入磁場．電子電荷量e=1.6×10^-19C，電子質(zhì)量m取9×10^-31kg，不計電子的重力，不考慮電子因高速運動而產(chǎn)生的影響．

（1）電子從坐標(biāo)原點進入磁場時的速度大小為多少？
（2）請在圖甲中畫出x=0至x=4L區(qū)域內(nèi)電子在磁場中運動的軌跡，計算電子通過圖中各磁場區(qū)域邊界時位置的縱坐標(biāo)并在圖中標(biāo)出；
（3）從x=0至x=NL（N為整數(shù)）區(qū)域內(nèi)電子運動的平均速度多大．

Answer 1

分析 （1）電子在電場中加速，由動能定理可以求出電子的速度；
（2）電子在磁場中做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力，由牛頓第二定律可以求出電子的軌道半徑，然后作出粒子運動軌跡；
（3）求出粒子的路程與運動時間，然后由平均速度公式求出平均速度．

解答 解：（1）在電場中加速，由動能定定理得：eU=$\frac{1}{2}$mv²-0，代入數(shù)據(jù)解得：v=4×10⁷m/s；       
（2）粒子運動軌跡如圖甲所示，進入磁場區(qū)域后做勻速圓周運動，
由牛頓第二定律得：evB=m$\frac{{v}^{2}}{R}$，代入數(shù)據(jù)解得：R=0.6m，
由幾何知識得：△y₁=R-$\sqrt{{R}^{2}-{L}^{2}}$，代入數(shù)據(jù)解得：△y₁=0.3m，
同理可得：△y₂=△y₃=△y₄=△y₁=0.3m，電子的運動軌跡如圖乙所示；
（3）磁場方向變化N次時，
x=NL，y=n△y₁，s=$\sqrt{{x}^{2}+{y}^{2}}$，
電子運動時間：t=Nt₁，sinθ=$\frac{L}{R}$=$\frac{\sqrt{3}}{2}$，θ=$\frac{π}{3}$，t₁=$\frac{θR}{v}$=$\frac{πR}{3v}$，
電子運動的平均速度：$\overline{v}$=$\frac{s}{t}$=$\frac{N\sqrt{{L}^{2}+△{y}_{1}^{2}}}{N{t}_{1}^{\;}}$，解得：$\overline{v}$=3.82×10⁷m/s；
答：（1）電子從坐標(biāo)原點進入磁場時的速度大小為4×10⁷m/s；
（2）x=0至x=4L區(qū)域內(nèi)電子在磁場中運動的軌跡如圖所示；
（3）從x=0至x=NL（N為整數(shù)）區(qū)域內(nèi)電子運動的平均速度為3.82×10⁷m/s．

點評 帶電粒子在電磁場中的運動一般有直線運動、圓周運動和一般的曲線運動；直線運動一般由動力學(xué)公式求解，圓周運動由洛侖茲力充當(dāng)向心力，一般的曲線運動一般由動能定理求解．