Question

【題目】如圖所示，在xOy平面直角坐標(biāo)系中，以原點(diǎn)O為圓心，半徑為L的圓內(nèi)存在著垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B0。一個(gè)帶正電粒子以某一初速度從原點(diǎn)O出發(fā)，粒子只在紙面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，該帶電粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中恰好不能出磁場(chǎng)。已知該粒子質(zhì)量為m所帶電荷量大小為q，不計(jì)粒子所受的重力。求：

(1)粒子初速度大��；

(2)現(xiàn)將該帶電粒子的初速度大小增大到原來(lái)的兩倍，若該粒子離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)的速度方向恰好與y軸平行，試求該粒子初速度與x軸正方向的夾角；

(3)為了將第(2)問(wèn)中初速度增大到原來(lái)兩倍的帶電粒子束縛在磁場(chǎng)中，可以在圓形磁場(chǎng)邊界外再增加一垂直紙面的環(huán)形磁場(chǎng)，該環(huán)形磁場(chǎng)內(nèi)邊界與原磁場(chǎng)外邊界重合，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小也為B0，求環(huán)形磁場(chǎng)的外邊界半徑的最小值，并求出帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期大小。

Answer 1

【答案】（1）（2）初速度與x軸夾角為210°（3），

【解析】(1) 粒子離開(kāi)出發(fā)點(diǎn)最遠(yuǎn)的距離為軌道半徑的2倍 L=2r

由 得

(2) 粒子初速度加倍則運(yùn)動(dòng)半徑變?yōu)?/span>

畫(huà)出出磁場(chǎng)速度與y軸平行情況可知，圓周運(yùn)動(dòng)半徑EF平行x軸，又由圓半徑OF=EO=EF=L，知θ=60°，初速度垂直EO，所以初速度與x軸夾角為30°，同理若出磁場(chǎng)速度指向y軸負(fù)向，則初速度與x軸夾角為210°。

(3)若所加外磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)同向，則知粒子運(yùn)動(dòng)的半徑為，則外磁場(chǎng)外徑

周期

若所加外磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)反向，由幾何關(guān)系得

根據(jù)對(duì)稱(chēng)性畫(huà)出情境圖，

由幾何關(guān)系可得