Question

如圖所示，在一對以板長為2a、板間距離為的平行板圍成的矩形EFQP區(qū)域內(nèi)有垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場．現(xiàn)有一質(zhì)量為m、電量為q的帶正電粒子從靜止開始經(jīng)過電勢差為U的電場加速后，從EF邊的中點小孔D處垂直于EF邊進(jìn)入磁場，不計重力和空氣阻力的影響．
（1）若粒子的軌道半徑為a，求磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小；
（2）若改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，使粒子恰好未碰PQ板，求粒子在磁場中運動的時間；
（3）若再次改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，使粒子與ED板多次碰撞后剛好擊中板端E點，試討論此種情況粒子在磁場中運動的時間與碰撞次數(shù)的關(guān)系．（不計粒子與ED板碰撞的作用時間．設(shè)粒子與ED板碰撞前后，電量保持不變并以相同的速率反彈．）

Answer 1

【答案】分析：（1）粒子進(jìn)入磁場后由洛侖茲力提供向心力，通過動能定理即圓周運動向心力公式即可求出B；
（2）通過對題目的分析作出粒子運動的軌跡圖，根據(jù)數(shù)學(xué)知識可得到其運動的軌跡半徑，通過周期公式及幾何關(guān)系即可求出粒子在磁場中運動的時間；
（3）設(shè)粒子運動圓周半徑為r，經(jīng)過n次碰撞，即經(jīng)過n個半圓運動，最后一次打到E點，已知其運動的周期，就可以求出粒子在磁場中運動時間，就可以判斷時間與碰撞次數(shù)有無關(guān)系．
解答：解：（1）設(shè)粒子經(jīng)電場加速射入磁場時的速度為v，
由動能定理有：  ①
又設(shè)當(dāng)粒子的軌道半徑為r₁=a時，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，由洛侖茲力提供向心力有：  ②
聯(lián)立①②式并代入已知量解得： 
（2）若粒子恰好未碰PQ板，則由題意和作圖知其軌道半徑為：
       ③
設(shè)粒子在磁場中運動軌跡所對的圓心角為α，
由圖中幾何關(guān)系有：
           ④
   sinθ=     ⑤
而周期為： ⑥
粒子在磁場中運動時間為： ⑦
聯(lián)立①③④⑤⑥⑦式并解得：    
（3）設(shè)粒子運動圓周半徑為r，經(jīng)過n次碰撞，即經(jīng)過n個半圓運動，最后一次打到E點．
有： ⑧
圓周運動周期：     ⑨
粒子在磁場中運動時間：  ⑩
聯(lián)立①⑧⑨⑩式并解得：  
顯然，此種情況粒子在磁場中運動的時間與碰撞次數(shù)無關(guān)．
答：（1）若粒子的軌道半徑為a，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小為；（2）若改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，使粒子恰好未碰PQ板，求粒子在磁場中運動的時間為；（3）若再次改變磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，使粒子與ED板多次碰撞后剛好擊中板端E點，粒子在磁場中運動的時間為與碰撞次數(shù)的無關(guān)．
點評：該題是帶電粒子在磁場中運動的題型，要求同學(xué)們能畫出粒子運動的軌跡并結(jié)合數(shù)學(xué)知識解題，還要注意粒子運動的周期性，難度較大．