Question

如圖所示，水平放置的兩平行金屬板間存在相互垂直的勻強磁場和勻強電場，磁場的磁感應強度為B₁，方向與紙面垂直，電場的場強E=2.0×10⁵V/m，方向豎直向下，PQ為板間中線．緊靠平行板右側邊緣建立平面直角坐標系xOy，在第一象限內，存在著以AO為理想邊界的兩個勻強磁場區(qū)域，方向如圖所示，磁感應強度B₂=B₃=0.6T，AO和y軸間的夾角θ=30°．一束帶負電的粒子，質量不同，帶電量q=2.5×10^-8C，以v=5×10⁵m/s的水平速度從P點射入板間，沿PQ做直線運動，穿出平行板區(qū)域后從y軸上坐標為（0，0.3m）的Q點垂直于y軸射入磁場區(qū)域．（粒子的重力不計）
（1）求磁感應強度B₁的大小和方向；
（2）若粒子不能穿過AO邊界，試確定其質量m應滿足的條件；
（3）若m=9.0×10^-15kg，求粒子從Q點進入磁場區(qū)域開始至第n次通過AO邊界時的位置到原點O的距離和該過程經歷的時間．（結果可保留π）

Answer 1

（1）帶電粒子在板間做直線運動，
有qvB₁=qE，解得：B₁=

E

v

=0.4T，方向垂直于紙面向里；
（2）如圖所示，當粒子恰好與AO邊界相切時，設其軌道半徑為R，
粒子質量為m₀，則由幾何關系可得：R+

R

sinθ

=

.

OQ

；R=

. OQ

3

=0.1m
由牛頓第二定律得：qvB₂=m₀

v2

R

，
解得：m₀=3×10^-15kg
所以m≤3×10^-15kg（或m＜3×10^-15kg）
（3）設質量m=9.0×10^-15kg的粒子做勻速圓周運動的半徑為r，
由牛頓第二定律得：qvB₂=m

v2

r

，解得：r=0.3m；
即坐標原點O為軌跡圓的圓心，粒子第一次通過AO的速度方向與AO垂直，
故粒子運動的軌跡如圖所示，
設粒子第n次通過AO邊界的點為A_n，
則

.

AnO

=（2n-1）r=（0.6n-0.3）m（n=1，2，3…）
帶電粒子在磁場中運動的周期為T=

2πm

qB2

，
根據(jù)運動圓軌跡的圓心角，可得粒子第n次通過AO邊界的時間為t=

T

12

+（n-1）

1

2

T，
t=（6n-5）π×10^-7s（n=1，2，3…）
答：（1）B₁為0.4T，方向向里；
（2）若粒子不能穿過AO邊界，其質量m應滿足的條件m≤3×10^-15kg（或m＜3×10^-15kg）；
（3）粒子從Q點進入磁場區(qū)域開始至第n次通過AO邊界時的位置到原點O的距離為（0.6n-0.3）m （n=1，2，3…），該過程經歷的時間（6n-5）π×10^-7s （n=1，2，3…）．