Question

如圖所示，在xoy平面直角坐標(biāo)系第一象限內(nèi)分布有垂直向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=2.5×10^﹣2T，在第二象限緊貼y軸和x軸放置一對(duì)平行金屬板MN（中心軸線過(guò)y軸），極板間距d=0.4m，極板與左側(cè)電路相連接．通過(guò)移動(dòng)滑動(dòng)頭P可以改變極板MN間的電壓．a(chǎn)、b為滑動(dòng)變阻器的最下端和最上端（滑動(dòng)變阻器的阻值分布均勻），a、b兩端所加電壓U=×10²V．在MN中心軸線上距y軸距離為L(zhǎng)=0.4m處有一粒子源S，沿x軸正方向連續(xù)射出比荷為=4.0×10⁶C/kg，速度為v_o=2.0×10⁴m/s帶正電的粒子，粒子經(jīng)過(guò)y軸進(jìn)入磁場(chǎng)后從x軸射出磁場(chǎng)（忽略粒子的重力和粒子之間的相互作用）．

（1）當(dāng)滑動(dòng)頭P在ab正中間時(shí)，求粒子射入磁場(chǎng)時(shí)速度的大�。�

（2）當(dāng)滑動(dòng)頭P在ab間某位置時(shí)，粒子射出極板的速度偏轉(zhuǎn)角為α，試寫出粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與α的函數(shù)關(guān)系，并由此計(jì)算粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最長(zhǎng)時(shí)間．

Answer 1

【考點(diǎn)】： 帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)；牛頓第二定律；向心力；帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)．

【專題】： 壓軸題；帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)專題．

【分析】： （1）當(dāng)滑動(dòng)頭P在ab正中間時(shí)，粒子在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)，水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，位移大小為L(zhǎng)，豎直方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)合可求出粒子進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度大小．

（2）當(dāng)滑動(dòng)頭P在a端時(shí)，平行金屬板MN板間電壓為零，粒子勻速運(yùn)動(dòng)，以速度v₀進(jìn)入磁場(chǎng)中，由牛頓第二定律求出軌跡半徑．當(dāng)滑動(dòng)頭P在ab間某一位置時(shí)，由牛頓第二定律得到軌跡半徑與α的關(guān)系式，由幾何關(guān)系求出粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)軌跡圓心角，即可得到粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間的表達(dá)式．當(dāng)板間電壓最大時(shí)，根據(jù)類平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律得到粒子射出極板時(shí)速度最大的偏轉(zhuǎn)角，即可求出粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最長(zhǎng)時(shí)間．

【解析】： 解：（1）當(dāng)滑動(dòng)頭P在ab正中間時(shí)，極板間電壓U′=，粒子在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)，設(shè)粒子射入磁場(chǎng)時(shí)沿y軸方向的分速度為v_y：

  ①

  v_y=at      ②

  L=v₀t      ③

粒子射入磁場(chǎng)時(shí)速度的大小設(shè)為 ④

聯(lián)立解得：≈2.1×10⁴m/s  ⑤

（2）當(dāng)滑動(dòng)頭P在a端時(shí)，粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的速度大小為v₀，有

  ⑥

解得：R₀==0.2m 

設(shè)粒子射出極板時(shí)速度的大小為v，偏向角為α，在磁場(chǎng)中圓周運(yùn)動(dòng)半徑為R．根據(jù)速度平行四邊形可得：

  ⑦

又，得R=  ⑧

由⑥⑦⑧可得： ⑨

粒子在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖所示，圓心為O′，與x軸交點(diǎn)為D，

設(shè)∠O′DO=β，根據(jù)幾何關(guān)系：

  ⑩

又：

解得：sinα=sinβ，得 β=α

粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的周期為T：

粒子在磁場(chǎng)中軌跡對(duì)應(yīng)的圓心角為 θ=

則粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間：t=T=T，得t=

由此結(jié)果可知，粒子射入磁場(chǎng)時(shí)速度偏轉(zhuǎn)角α越大，則粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間就越大．假設(shè)極板間電壓為最大值

時(shí)粒子能射出電場(chǎng)，則此粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間最長(zhǎng)．

由（1）問(wèn)規(guī)律可知當(dāng)滑動(dòng)頭P在b端時(shí)，粒子射入磁場(chǎng)時(shí)沿y方向的分速度：

y方向偏距：y_m==m＜0.2m，說(shuō)明粒子可以射出極板．此時(shí)粒子速度偏轉(zhuǎn)角最大，設(shè)為α_m，則

 tana_m==，得

故粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最長(zhǎng)時(shí)間：，得t_m=

代入數(shù)值得：≈2.6×10^﹣5s． 

答：

（1）當(dāng)滑動(dòng)頭P在ab正中間時(shí)，粒子射入磁場(chǎng)時(shí)速度的大小是2.1×10⁴m/s．

（2）粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與α的函數(shù)關(guān)系是，粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最長(zhǎng)時(shí)間是2.6×10^﹣5s．

【點(diǎn)評(píng)】： 本題的解題關(guān)鍵是準(zhǔn)確畫出粒子運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)幾何知識(shí)得到粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間與α的關(guān)系式，難度較大．