Question

如圖，兩個(gè)共軸的圓筒形金屬電極，在內(nèi)筒上均勻分布著平行于軸線的標(biāo)號(hào)1-8的八個(gè)狹縫，內(nèi)筒內(nèi)半徑為R，在內(nèi)筒之內(nèi)有平行于軸線向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。在兩極間加恒定電壓，使筒之間的區(qū)域內(nèi)有沿半徑向里的電場(chǎng)。不計(jì)粒子重力，整個(gè)裝置在真空中，粒子碰到電極時(shí)會(huì)被電極吸收。

(1)一質(zhì)量為m₁，帶電量為+q₁的粒子從緊靠外筒且正對(duì)1號(hào)縫的S點(diǎn)由靜止出發(fā)，進(jìn)入磁場(chǎng)后到達(dá)的第一個(gè)狹縫是3號(hào)縫，求兩電極間加的電壓U是多少?

(2)另一個(gè)粒子質(zhì)量為m₂，帶電量為+q₂，也從S點(diǎn)由靜止出發(fā)，該粒子經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后恰好又回到S點(diǎn)，求該粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)多少時(shí)間第一次回到S點(diǎn)。

 

Answer 1

【答案】

（1）（2）第一種情況;第二種情況;第三種情況;

【解析】

試題分析：（1）m₁粒子從S點(diǎn)出發(fā)在電場(chǎng)力作用下加速沿徑向由1號(hào)縫以速度V₁進(jìn)入磁場(chǎng)，

依動(dòng)能定理    ①

在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由洛倫茲力公式和牛頓定律得

    ② 

粒子從1號(hào)縫直接到3號(hào)縫，軌跡為1/4圓周，軌跡半徑等于內(nèi)筒半徑

      ③            

由以上得    ④  

（2）m₂粒子進(jìn)入磁場(chǎng)后，做勻速圓周運(yùn)動(dòng)周期為T 

    ⑤          

   ⑥              

得      ⑦      

m₂粒子能回到S點(diǎn)的條件是能沿徑向進(jìn)入某條縫，在電場(chǎng)中先減速再反向加速重回磁場(chǎng)，然后以同樣的方式經(jīng)過(guò)某些縫最后經(jīng)1號(hào)縫回到S點(diǎn)。共有三種可能情況

第一種：粒子依次經(jīng)過(guò)2、3、4、5、6、7、8號(hào)縫回到1號(hào)縫

    ⑧    

第二種：粒子依次經(jīng)3、5、7號(hào)縫回到1號(hào)縫

⑨     

第三種：粒子依次經(jīng)過(guò)4、7、2、5、8、3、6號(hào)縫回到1號(hào)縫

     ⑩ 

考點(diǎn)：此題考查帶電粒子在電場(chǎng)中的加速及在運(yùn)強(qiáng)磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題；考查的知識(shí)點(diǎn)由動(dòng)能定理及牛頓定律；考查的能力是綜合分析運(yùn)用知識(shí)的能力。