高中 | 速度选择器 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动

速度选择器

磁屏蔽技术可以降低外界磁场对屏蔽区域的干扰。如图所示,$x\geqslant 0$区域存在垂直$Oxy$平面向里的匀强磁场,其磁感应强度大小为$B_{1}$(未知)。第一象限内存在边长为$2L$的正方形磁屏蔽区$ONPQ$,经磁屏蔽后,该区域内的匀强磁场方向仍垂直$Oxy$平面向里,其磁感应强度大小为$B_{2}$(未知),但满足$0 \lt B_{2} \lt B_{1}$。某质量为$m$、电荷量为$q(q \gt 0)$的带电粒子通过速度选择器后,在$Oxy$平面内垂直$y$轴射入$x\geqslant 0$区域,经磁场偏转后刚好从$ON$中点垂直$ON$射入磁屏蔽区域。速度选择器两极板间电压$U$、间距$d$、内部磁感应强度大小$B_{0}$已知,不考虑该粒子的重力。

求该粒子通过速度选择器的速率;

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$\\dfrac{U}{B_{0}d}$

"]]

由于该粒子在速度选择器中受力平衡,故$qE=qv_{0}B_{0}$

其中$E=\dfrac{U}{d}$

则该粒子通过速度选择器的速率为$v_{0}=\dfrac{U}{B_{0}d}$

$B_{1}$以及$y$轴上可能检测到该粒子的范围;

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$\\dfrac{mU}{qdB_{0}L}$$L \\lt y \\lt 3L$

"]]

粒子在$x\geqslant 0$区域内做匀速圆周运动,从$ON$的中点垂直$ON$射入磁屏蔽区域,由几何关系可知$r_{1}=L$

由洛伦兹力提供给向心力$qv_{0}B_{1}=m\dfrac{v_{0}^{2}}{r_{1}}$

联立可得$B_{1}=\dfrac{mU}{qdB_{0}L}$

由于$B_{2} \lt B_{1}$,根据洛伦兹力提供给向心力$qv_{0}B_{2}=m\dfrac{v_{0}^{2}}{r_{2}}$

解得$r_{2} \gt L$

$B_{2}=0$时粒子磁屏蔽区向上做匀速直线运动,离开磁屏蔽区后根据左手定则,粒子向左偏转,如图所示

根据洛伦兹力提供向心力$qv_{0}B_{1}=m\dfrac{v_{0}^{2}}{r_{3}}$

可得$r_{3}=r_{1}=L$

故粒子打在$y$$3L$处,综上所述$y$轴上可能检测到该粒子的范围为$L \lt y \lt 3L$

定义磁屏蔽效率$\eta=\dfrac{B_{1}- B_{2}}{B_{1}} \times 100\%$,若在$Q$处检测到该粒子,则$\eta$是多少?

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$60\\%$

"]]

若在$Q$处检测到该粒子,如图

由几何关系可知$r_{2}^{2}=(2L)^{2}+(r_{2} − L)^{2}$

解得$r_{2}=\dfrac{5}{2}L$

由洛伦兹力提供向心力$qv_{0}B_{2}=m\dfrac{v_{0}^{2}}{r_{2}}$

联立解得$B_{2}=\dfrac{2mU}{5qB_{0}dL}$

其中$B_{1}=\dfrac{mU}{qdB_{0}L}$

根据磁屏蔽效率$\eta=\dfrac{B_{1}-B_{2}}{B_{1}} \times 100\%$可得若在$Q$处检测到该粒子,则$\eta=60\%$

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