Question

用如圖所示的裝置來選擇密度相同、大小不同的球狀納米粒子．在電離室中使納米粒子電離后表面均勻帶正電，且單位面積的電量為q．電離后，粒子緩慢通過小孔O₁進入極板間電壓為U的水平加速電場區(qū)域I，再通過小孔O₂射入相互正交的恒定勻強電場、勻強磁場區(qū)域II，其中電場強度為E，磁感應(yīng)強度為B、方向垂直紙面向外．收集室的小孔O₃與O₁、O₂在同一條水平線上．已知納米粒子的密度為ρ，不計納米粒子的重力及納米粒子間的相互作用．（V_球=，S_球=4πr²）
（1）如果半徑為r的某納米粒子恰沿直線O₁O₃射入收集室，求該粒子的速率和粒子半徑r；
（2）若半徑為4r的納米粒子進入?yún)^(qū)域II，粒子會向哪個極板偏轉(zhuǎn)？計算該納米粒子在區(qū)域II中偏轉(zhuǎn)距離為l（粒子在豎直方向的偏移量）時的動能；（r視為已知）
（3）為了讓半徑為4r的粒子沿直線O₁O₃射入收集室，可以通過改變那些物理量來實現(xiàn)？提出一種具體方案．

Answer 1

【答案】分析：1、根據(jù)電場力等于洛倫茲力計算帶電粒子的速度．半徑為r的納米粒子質(zhì)量，電量，粒子在區(qū)域Ⅰ中加速運動，運用動能定理，代入數(shù)據(jù)計算粒子半徑．
2、由半徑的不同，導(dǎo)致速度大小不一，從而出現(xiàn)洛倫茲力與電場力不等現(xiàn)象，根據(jù)其力大小確定向哪個極板偏轉(zhuǎn)．粒子在區(qū)域Ⅱ中，由動能定理   ，可計算該納米粒子在區(qū)域II中偏轉(zhuǎn)距離為l時的動能．
3、根據(jù)計算出的粒子半徑，粒子沿直線射入收集室可以通過改變電場強度E、磁感應(yīng)強度B和加速電壓U來實現(xiàn)．
解答：解：（1）半徑為r的納米粒子在區(qū)域Ⅱ中沿直線運動，受到電場力和洛倫茲力作用
由F_洛=qvB
F_電=Eq
得qvB=Eq       ①
v=②
粒子在區(qū)域Ⅰ中加速運動，通過小孔O₂時的速度為v
由動能定理    ③
半徑為r的納米粒子質(zhì)量④
電量⑤
由②③④⑤式得   ⑥
（2）由③④⑤式得半徑為r的粒子速率⑦
由⑦式判斷：粒子半徑為4 r時，粒子速度v'=，故F_洛＜F_電，粒子向上極板偏  
設(shè)半徑為4r的粒子質(zhì)量m'、電量q'，偏轉(zhuǎn)距離為l時的動能為E_k
解法一：粒子在區(qū)域Ⅰ、Ⅱ全過程中，由動能定理E_k=q'U+q'El⑧
⑨
由⑧⑨式得粒子動能  ⑩
解法二：粒子在區(qū)域Ⅱ中，由動能定理   
得   
（3）由⑥式可知，粒子沿直線射入收集室可以通過改變電場強度E、磁感應(yīng)強度B和加速電壓U來實現(xiàn)．
只改變電場強度E，使電場強度E為原來的，則半徑為4r的粒子受到的電場力與洛倫茲力平衡，能沿直線射入收集室．
答：（1）如果半徑為r的某納米粒子恰沿直線O₁O₃射入收集室，則該粒子的速率為，粒子半徑；
（2）若半徑為4r的納米粒子進入?yún)^(qū)域II，粒子向上極板偏．該納米粒子在區(qū)域II中偏轉(zhuǎn)距離為l（粒子在豎直方向的偏移量）時的動能為．
（3）為了讓半徑為4r的粒子沿直線O₁O₃射入收集室，可以只改變電場強度E，使電場強度E為原來的，則半徑為4r的粒子受到的電場力與洛倫茲力平衡，能沿直線射入收集室．
點評：本題考查運用動能定理求帶電粒子在電場中加速后的速度大小，再洛倫茲力與電場力關(guān)系來確定偏向何處．同時注意緊扣題目中隱含的條件．此題有一定的難度，屬于難題．