Question

如圖所示，方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的邊界，是一個(gè)半徑為r的圓，圓心O₁在x軸上，OO₁距離等于圓的半徑．虛線MN平行于x軸且與圓相切于P點(diǎn)，在MN的上方是正交的勻強(qiáng)電場(chǎng)和勻強(qiáng)磁場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度的大小為E，方向沿x軸的負(fù)方向，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向垂直紙面向外．有-群相同的正粒子，以相同的速率，在紙面內(nèi)沿不同方向從原點(diǎn)O射入第I象限，粒子的速度方向在與x軸成θ=30°角的范圍內(nèi)，其中沿x軸正方向進(jìn)入磁場(chǎng)的粒子經(jīng)過(guò)P點(diǎn)射入MN后，恰好在正交的電磁場(chǎng)中做直線運(yùn)動(dòng)．粒子的質(zhì)量為m．電荷量為q（不計(jì)粒子的重力）．求：
（1）粒子的初速率；
（2）圓形有界磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度：
（3）若只撤去虛線MN上面的磁場(chǎng)B，這些粒子經(jīng)過(guò)y軸的坐標(biāo)范圍．

Answer 1

【答案】分析：（1）粒子受到電場(chǎng)力與洛倫茲力相平衡，即可求解；
（2）粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第二定律，即可求解；
（3）粒子從磁場(chǎng)射出后，分兩種情況進(jìn)入電場(chǎng)，一是坐標(biāo)最大，另一是坐標(biāo)最�。涣Ｗ釉陔妶�(chǎng)力作用下做類平拋運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用牛頓第二定律與運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，即可求解；
解答：解：（1）帶電粒子受到電場(chǎng)力與洛倫茲力相平衡，
則有：qE=qvB
解得：
（2）設(shè)正粒子在圓形有界磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為R，
則有：R=r
洛倫茲力提供向心力，根據(jù)牛頓第二定律，
則有：，
解得：
（3）沿x軸正方向進(jìn)入圓形有界磁場(chǎng)的粒子經(jīng)電場(chǎng)E偏轉(zhuǎn)后，過(guò)y軸上點(diǎn)的坐標(biāo)最大，
則有：  
且△y₁=vt₁ 
所以 y₁=△y₁+r 
解得：
沿與x軸正方向與θ=30°角進(jìn)入圓形有界磁場(chǎng)的粒子經(jīng)電場(chǎng)E偏轉(zhuǎn)后，過(guò)y軸上點(diǎn)的坐標(biāo)最小，
則有：
又△y₂=vt₂ 
且 y₂=△y₂+r  
解得：
即，
答：（1）粒子的初速率；
（2）圓形有界磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度：
（3）若只撤去虛線MN上面的磁場(chǎng)B，這些粒子經(jīng)過(guò)y軸的坐標(biāo)范圍．
點(diǎn)評(píng)：考查電場(chǎng)力與洛倫茲力相平衡時(shí)勻速直線運(yùn)動(dòng)，只有電場(chǎng)力作用下做類平拋運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)的分解由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式與牛頓第二定律相結(jié)合；只有洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律與幾何關(guān)系相結(jié)合求解．