Question

如圖所示為一種獲得高能粒子的裝置．環(huán)形區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向外、大小可調(diào)節(jié)的勻強磁場．質(zhì)量為m、電量為+q的粒子在環(huán)中做半徑為R的圓周運動．A、B為兩塊中心開有小孔的極板．原來電勢都為零，每當粒子飛經(jīng)A板時，A板電勢升高為+U，B板電勢仍保持為零，粒子在兩板間電場中得到加速．每當粒子離開B板時，A板電勢又降為零．粒子在電場一次次加速下動能不斷增大，而繞行半徑不變．
（1）設(shè)t=0時，粒子靜止在A板小孔處，在電場作用下加速．求粒子第一次穿過B板時速度的大小v₁；
（2）為使粒子始終保持在半徑為R的圓軌道上運動，磁場必須周期性遞增．求粒子繞行第n圈時磁感應(yīng)強度的大小B_n；
（3）求粒子繞行n圈所需的總時間t_n總（設(shè)極板間距離遠小于R，粒子在A、B極板間運動的時間可忽略不計）．

Answer 1

（1）粒子第一次加速過程，根據(jù)動能定理得
    qU=

1

2

m

v

21

解得，v₁=

2qU m

（2）粒子繞行第n圈時，nqU=

1

2

m

v

2n

　　　　
粒子受到的洛倫茲力提供向心力，qv_nB_n=m

v 2n

R

解得：B_n=

1

R

2nmU q

（3）粒子運動的周期表達式為：T_n=

2πR

vn

=

2πm

qBn

　　　　　　　　　　　　　　　　　
粒子繞行第1圈，所用時間為t₁=

2πm

qB1

，B₁=

1

R

2mU q

粒子繞行第2圈，所用時間為t₂=

2πm

qB2

，B₂=

1

R

2×2mU q

粒子繞行第3圈，所用時間為t₃=

2πm

qB3

，B₃=

1

R

2×3mU q

…
以此類推，粒子繞行第n圈，所用時間為　t_n=

2πm

qBn

，B_n=

1

R

2nmU q

　　　
解得：t_n總=t₁+t₂+t₃+…+t_n=2πR

m 2qU

（1+

1

2

+

1

3

…+

1

n

）
答：（1）粒子第一次穿過B板時速度的大小v₁是

2qU m

．
（2）粒子繞行第n圈時磁感應(yīng)強度的大小B_n是

1

R

2nmU q

．
（3）粒子繞行n圈所需的總時間t_n總是2πR

m 2qU

（1+

1

2

+

1

3

…+

1

n

）．