Question

5．如圖所示，在空間有一坐標(biāo)系xOy中，直線OP與x軸正方向的夾角為30°，第一象限內(nèi)有兩個方向都垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場區(qū)域I和II，直線OP是他們的邊界，OP上方區(qū)域I中磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B．一質(zhì)量為m，電荷量為q的質(zhì)子（不計(jì)重力）以速度v從0點(diǎn)沿與OP成30°角的方向垂直磁場進(jìn)入?yún)^(qū)域I，質(zhì)子先后通過磁場區(qū)域I和II后，恰好垂直打在x軸上的Q點(diǎn)（圖中未畫出），則下列說法正確的是（　�。�

• A． 區(qū)域II中磁感應(yīng)強(qiáng)度為2B
• B． 區(qū)域II中磁感應(yīng)強(qiáng)度為3B
• C． 粒子在第一象限的運(yùn)動時(shí)間為$\frac{5πm}{6qB}$
• D． 粒子在第一象限的運(yùn)動時(shí)間為$\frac{7πm}{12qB}$

Answer 1

分析 質(zhì)子在兩個磁場中由洛倫茲力提供向心力，均做勻速圓周運(yùn)動．根據(jù)圓的對稱性可知，質(zhì)子從A點(diǎn)出磁場I時(shí)的速度方向與OP的夾角為30°，即與x軸平行．在區(qū)域II中，由題分析可知，質(zhì)子運(yùn)動$\frac{1}{4}$圓周，由幾何知識作出軌跡，如圖．由幾何關(guān)系，得到質(zhì)子在兩個磁場中軌跡半徑與OA的關(guān)系，由牛頓第二定律研究兩個磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，求解區(qū)域II中磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大�。�求出質(zhì)子運(yùn)動軌跡所對應(yīng)的圓心角，然后求出質(zhì)子在磁場中做圓周運(yùn)動的時(shí)間．

解答 解：設(shè)質(zhì)子在磁場I和II中做圓周運(yùn)動的軌道半徑分別為r₁和r₂，區(qū)域II中磁感應(yīng)強(qiáng)度為B′，
由牛頓第二定律得：qvB=$m\frac{{v}^{2}}{{r}_{1}}$…①
qvB′=m$\frac{{v}^{2}}{{r}_{2}}$…②
粒子在兩區(qū)域運(yùn)動的軌跡如圖所示，由帶電粒子才磁場中運(yùn)動的對稱性和幾何關(guān)系可知，質(zhì)子從A點(diǎn)出磁場I時(shí)的速度方向與OP的夾角為30°，故質(zhì)子在磁場I中軌跡的圓心角為：θ=60°，如圖所示：
則△O₁OA為等邊三角形，有：OA=r₁ …③，
在區(qū)域II中，質(zhì)子運(yùn)動$\frac{1}{4}$圓周，O₂是粒子在區(qū)域II中做圓周運(yùn)動的圓心，r₂=OAsin30°…④
由①②③④解得區(qū)域II中磁感應(yīng)強(qiáng)度為：B′=2B，故A正確，B錯誤．
質(zhì)子在Ⅰ區(qū)運(yùn)動軌跡對應(yīng)的圓心角：φ=60°，
在Ⅱ區(qū)運(yùn)動軌跡對應(yīng)的圓心角為：φ′=90°，
質(zhì)子在Ⅰ區(qū)的運(yùn)動周期：T₁=$\frac{2πm}{qB}$，運(yùn)動時(shí)間t₁=$\frac{60°}{360°}{T}_{1}=\frac{πm}{3qB}$，
質(zhì)子在Ⅱ區(qū)運(yùn)動的周期：T₂=$\frac{2πm}{qB′}=\frac{πm}{qB}$，運(yùn)動時(shí)間t₂=$\frac{90°}{360°}{T}_{2}=\frac{πm}{4qB}$，則粒子在第一象限內(nèi)的運(yùn)動時(shí)間t=${t}_{1}+{t}_{2}=\frac{7πm}{12qB}$．故C錯誤，D正確．
故選：AD．

點(diǎn)評 帶電粒子通過磁場的邊界時(shí)，如果邊界是直線，根據(jù)圓的對稱性得到，帶電粒子入射速度方向與邊界的夾角等于出射速度方向與邊界的夾角，這在處理有界磁場的問題常常用到．