Question

如圖所示，三個(gè)同心圓是磁場(chǎng)的理想邊界，圓1半徑R₁=R、圓2半徑R₂=3R、圓3半徑R₃（R₃＞R₂）大小未定，圓1內(nèi)部區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，圓1與圓2之間的環(huán)形區(qū)域是無(wú)場(chǎng)區(qū)，圓2與圓3之間的環(huán)形區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度也為B。兩個(gè)區(qū)域磁場(chǎng)方向均垂直于紙面向里。t=0時(shí)一個(gè)質(zhì)量為m，帶電量為+q（q＞0）的離子（不計(jì)重力），從圓1上的A點(diǎn)沿半徑方向以速度飛進(jìn)圓1內(nèi)部磁場(chǎng)。問(wèn)：

（1）離子經(jīng)多長(zhǎng)時(shí)間第一次飛出圓1？
（2）離子飛不出環(huán)形磁場(chǎng)圓3邊界，則圓3半徑R₃至少為多大？
（3）在滿足了（2）小題的條件后，離子自A點(diǎn)射出后會(huì)在兩個(gè)磁場(chǎng)不斷地飛進(jìn)飛出，從t=0開(kāi)始到離子第二次回到A點(diǎn)，離子運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間為多少？
（4）在同樣滿足了（2）小題的條件后，若環(huán)形磁場(chǎng)方向?yàn)榇怪庇诩埫嫦蛲�，其它條件不變，從t=0開(kāi)始到離子第一次回到A點(diǎn)，離子運(yùn)動(dòng)的路徑總長(zhǎng)為多少？

Answer 1

（1）  （2）   （3）

解析試題分析：（1）由可得   （2分）
如右圖1，根據(jù)幾何知識(shí)：

離子在圓1中運(yùn)動(dòng)圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角為60°
得：  （2分）
（2）依題意離子在環(huán)形磁場(chǎng)軌跡與圓3相切時(shí)對(duì)應(yīng)的就是半徑最小值，如右圖2：

由于兩磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同，有：  （2分）
由圖中幾何關(guān)系得： （2分）
得： （2分）
（3）根據(jù)幾何知識(shí)：
離子在圓2和圓3之間的運(yùn)動(dòng)圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角為240°
得：（2分）
在原圖中作圖可知如下左圖：
（只畫(huà)了重復(fù)單程，這樣的單程重復(fù)總共需6次）
從t=0開(kāi)始到離子第二次回到A點(diǎn)，離子在圓1內(nèi)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)共6次；
離子在環(huán)形磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)共6次；離子在無(wú)場(chǎng)區(qū)中直線運(yùn)動(dòng)共12次。（2分）
在無(wú)場(chǎng)區(qū)離子直線單程的時(shí)間 （2分）
總時(shí)間 （2分）
（4）在原圖中作圖可知如下右圖：
（只畫(huà)了重復(fù)單程，這樣的單程重復(fù)總共需2次）
從t=0開(kāi)始到離子第一次回到A點(diǎn)，離子在圓1內(nèi)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)共2次；
離子在環(huán)形磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)共2次；離子在無(wú)場(chǎng)區(qū)中直線運(yùn)動(dòng)共4次。（2分）
路徑總長(zhǎng) （2分）

考點(diǎn)：本題考查帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，涉及到多過(guò)程的分析。