Question

如圖所示，在x-o-y坐標(biāo)系中，以（r，0）為圓心、r為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)存在勻強(qiáng)磁場，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直于紙面向里。在y > r的足夠大的區(qū)域內(nèi)，存在沿y軸負(fù)方向的勻強(qiáng)電場，場強(qiáng)大小為E。從O點(diǎn)以相同速率向不同方向發(fā)射質(zhì)子，質(zhì)子的運(yùn)動軌跡均在紙面內(nèi)，且質(zhì)子在磁場中運(yùn)動的軌跡半徑也為r。已知質(zhì)子的電荷量為q，質(zhì)量為m，不計(jì)質(zhì)子所受重力及質(zhì)子間相互作用力的影響。

（1）求質(zhì)子射入磁場時(shí)速度的大��；

（2）若質(zhì)子沿x軸正方向射入磁場，求質(zhì)子從O點(diǎn)進(jìn)入磁場到第二次離開磁場經(jīng)歷的時(shí)間；

（3）若質(zhì)子沿與x軸正方向成夾角θ的方向從O點(diǎn)射入第一象限的磁場中，求質(zhì)子在磁場中運(yùn)動的總時(shí)間。

Answer 1

（1）質(zhì)子射入磁場后做勻速圓周運(yùn)動，有                  （2分）

得                                                   （2分）

（2）質(zhì)子沿x軸正向射入磁場后，在磁場中運(yùn)動了個(gè)圓周后，以速度υ逆著電場方向進(jìn)入電場，原路徑返回后，再射入磁場，在磁場中運(yùn)動了個(gè)圓周后離開磁場。

在磁場中運(yùn)動周期                           （1分）

質(zhì)子在磁場中運(yùn)動的時(shí)間                        （2分）

進(jìn)入電場后做勻變速直線運(yùn)動，加速度大小             （1分）

質(zhì)子在電場中運(yùn)動的時(shí)間                       （2分）

所求時(shí)間為= +                            （2分）

（3）當(dāng)質(zhì)子沿與x軸正方向成夾角θ的方向從第一象限射入磁場時(shí)，設(shè)質(zhì)子將從A點(diǎn)射出磁場，如圖所示，其中O₁、O₂分別為磁場區(qū)域圓和質(zhì)子軌跡圓的圓心。由于軌跡圓的半徑等于磁場區(qū)域圓的半徑，所以OO₁AO₂為菱形，即AO₂平行x軸，說明質(zhì)子以平行y軸的速度離開磁場，也以沿y軸負(fù)方向的速度再次進(jìn)入磁場�！�O₂=90°－θ。

所以，質(zhì)子第一次在磁場中運(yùn)動的時(shí)間

t₁′                                    （3分）

此后質(zhì)子軌跡圓的半徑依然等于磁場區(qū)域圓的半徑，設(shè)質(zhì)子將從C點(diǎn)再次射出磁場。如圖所示，其中O₁、O₃分別為磁場區(qū)域圓和質(zhì)子軌跡圓的圓心，AO₃平行x軸。由于O₁AO₃C為菱形，即CO₁平行AO₃，即平行x軸，說明C就是磁場區(qū)域圓與x軸的交點(diǎn)。這個(gè)結(jié)論與θ無關(guān)。

所以，OO₂O₃C為平行四邊形，∠O₃=90° + θ  

質(zhì)子第二次在磁場中運(yùn)動的時(shí)間t₂′                   （3分）

質(zhì)子在磁場中運(yùn)動的總時(shí)間

t′=t₁′+t₂′=