高中 | 洛伦兹力 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.5 运动电荷在磁场中受到的力

洛伦兹力

在前沿科技中,需要对带电粒子的运动进行精确控制。如图,一粒子源能够发射速度大小为$v_{0}$的粒子,粒子的质量为$m$、电荷量为$q$,经加速电场加速后,以大小为$2v_{0}$的速度进入圆心为$O_{1}$的辐射状电场,做半径为$R$的匀速圆周运动,出辐射状电场时速度方向恰好改变了$90^\circ$,粒子出辐射状电场再沿$x$轴运动距离$R$后进入方向垂直纸面向里、半径为$R$的圆形匀强磁场区域,恰好从平面直角坐标系中的$(0,R)$点沿$y$轴正方向射出匀强磁场区域。已知加速电场两极板间距为$\dfrac{R}{4}$,圆形匀强磁场区域的圆心$O_{2}$在平面直角坐标系的坐标原点,不计粒子重力。

求加速电压$U$

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$U= \\dfrac{3mv_{0}^{2}}{2q}$

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粒子在加速电场中运动,根据动能定理$Uq=\dfrac{1}{2}mv^{2}- \dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$

根据题意可知$v=2v_{0}$

可得加速电场的电压$U=\dfrac{3mv_{0}^{2}}{2q}$

求圆形匀强磁场的磁感应强度$B$的大小;

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$B=\\dfrac{2mv_{0}}{qR}$

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粒子进入匀强磁场,由题意可得,粒子圆周运动的半径$r=R$

根据洛伦兹力提供向心力可得$qvB=m\dfrac{v^{2}}{r}$

解得 $B=\dfrac{2mv_{0}}{qR}$

若将粒子源、加速电场和辐射状电场沿$y$轴负方向移动$\dfrac{R}{2}$处,求粒子从进入加速电场到出匀强磁场经历的时间以及射出磁场时速度方向与$y$轴正方向的夹角。

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$t=\\dfrac{(14+7\\pi- 3\\sqrt{3})R}{12v_{0}}$$y$轴正方向所成夹角为 $30^\\circ $

"]]

如图所示

设粒子在加速电场中运动的时间为 $t_{1}$,则有$\dfrac{v_{0}+v}{2}t_{1}=\dfrac{R}{4}$

设粒子在辐射状电场运动的时间为$t_{2}$,则$t_{2}=\dfrac{\pi R}{2v}$

设粒子出辐射状电场到刚要进入磁场的时间为$t_{3}$,则$t_{3}=\dfrac{R+(R-\dfrac{\sqrt{3}R}{2})}{v}$

由几何关系,可知粒子在磁场中运动的轨迹对应的圆心角$\varphi=\dfrac{\pi}{4}+\arcsin\dfrac{\dfrac{R}{2}}{R}=\dfrac{2\pi}{3}$

粒子在匀强磁场中做圆周运动的周期$T=\dfrac{2\pi m}{qB}$

设粒子在匀强磁场中做圆周运动的时间为$t_{4}$,则$t_{4}=\dfrac{\varphi}{2\pi}T$

粒子从进入加速电场到出匀强磁场经历的时间$t=t_{1}+t_{2}+t_{3}+t_{4}$

代入数据可得$t=\dfrac{(14+7\pi-3\sqrt{3})R}{12v_{0}}$

根据几何关系可得,粒子从 $(0,R)$处射出的速度方向与 $y$轴正方向所成夹角为 $30^\circ $

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