Question

磁聚焦被廣泛的應(yīng)用在電真空器件中，如圖所示，在坐標(biāo)xoy中存在有界的勻強(qiáng)聚焦磁場(chǎng)，方向垂直坐標(biāo)平面向外，磁場(chǎng)邊界PQ直線與x軸平行，距x軸的距離為

2 3 a

3

，邊界POQ的曲線方程為y=

x(a-x)

a2 3 -x2

．且方程對(duì)稱(chēng)y軸，在坐標(biāo)x軸上A處有一粒子源，向著不同方向射出大量質(zhì)量均為m、電量均為q的帶正電粒子，所有粒子的初速度大小相同均為v，粒子通過(guò)有界的勻強(qiáng)磁場(chǎng)后都會(huì)聚焦在x軸上的F點(diǎn)．已知A點(diǎn)坐標(biāo)為（-a，0），F(xiàn)點(diǎn)坐標(biāo)為（a，0）．不計(jì)粒子所受重力和相互作用求：
（1）勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；
（2）粒子射入磁場(chǎng)時(shí)的速度方向與x軸的夾角為多大時(shí)，粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)，最長(zhǎng)對(duì)間為多少？

Answer 1

分析：先根據(jù)三角形相似求出橫坐標(biāo)x與y的比例關(guān)系，然后根據(jù)洛倫茲力提供向心力列方程求出B；
先求出所用時(shí)間t的表達(dá)式，根據(jù)根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)求最大值．

解答：解：（1）設(shè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為r，圓心為C，從D處射出磁場(chǎng)，其坐標(biāo)為（x，y），因Rt△CED相似于Rt△DGF
可得                

y

x

=

a-x

r2-x2

且POQ的曲線方程為y=

x(a-x)

a2 3 -x2

解得：r=

3

3

a
因      r=

mv

qB

解得：B=

3 mv

aq

（2）設(shè)粒子射入磁場(chǎng)時(shí)的速度方向與x軸夾角為θ時(shí)，粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡與PQ相切，則運(yùn)動(dòng)的時(shí)間最長(zhǎng)，最長(zhǎng)時(shí)間為t，由幾何知識(shí)得

2 3 a

3

=r+y-rcosθ         x=rsinθ
解得：sinθ=

3

2

            θ=60°=

π

3

且      t=

αm

qB

解得：t=

2θm

qB

=

2 3 πa

9v

答：（1）勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

3 mv

qa

；
（2）粒子射入磁場(chǎng)時(shí)的速度方向與x軸的夾角為

π

3

時(shí)，粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)，最長(zhǎng)對(duì)間為

2 3 πa

9v

．

點(diǎn)評(píng)：本題用到的數(shù)學(xué)方法較多，一定要注重?cái)?shù)學(xué)方法在物理中的應(yīng)用，特別在帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)中一定要注意幾何關(guān)系的正確應(yīng)用．