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

如图所示,质量为$m$、电荷量为$+q$的粒子从静止开始经加速电压$U$加速后,从三维直角坐标系的原点$O$处沿不同方向射入匀强磁场,磁感应强度大小为$B$、方向沿$z$轴正方向。已知加速电压$U$调节范围为$U_{0}\leqslant U\leqslant 3U_{0}$,其中$U_{0}= \dfrac{qB^{2}L^{2}}{8m}$$x$轴上距离$O$$1.5L$处有一长为$L$的吸收板,吸收板接地,粒子打在板上即被吸收。不计粒子重力,下列说法正确的是$(\qquad)$

["

当粒子沿$y$轴正方向射入磁场时,调节$U$,板上有粒子击中的长度为$\\left(\\sqrt{3}-\\dfrac{3}{2}\\right)L$

","

$U=3U_{0}$,粒子从$O$点射入$xOy$平面$x\\gt 0$$y\\gt 0$的区域,速度方向在$0\\sim 90^\\circ$均匀变化,且沿各方向发射的粒子数目相等,则击中吸收板的粒子占粒子总数的$50\\%$

","

$U=U_{0}$$t=0$时刻,粒子从$O$点射入$yOz$平面$y\\gt 0$$z\\lt 0$的区域,且速度方向与$y$轴正方向夹角为$30^\\circ$,粒子与$z$轴距离最大时的时间为$t_{1}=n\\dfrac{\\pi m}{qB}(n=1,2,3⋯⋯)$

","

$U=2U_{0}$,粒子从$O$点射入$yOz$平面$y\\gt 0$$z\\lt 0$的区域,且速度方向与$y$轴正方向夹角为$45^\\circ$,则经过$t_{2}= \\dfrac{3\\pi m}{2qB}$时粒子的坐标为$\\left(\\dfrac{L}{2},- \\dfrac{L}{2},- \\dfrac{3}{4}\\pi L\\right)$

"]
[["AD"]]

$\rm A$.粒子经加速电压$U$后,由动能定理可知$qU=\dfrac{1}{2}mv^{2}$

速度$v=\sqrt{\dfrac{2qU}{m}}$

代入磁场中半径公式$r=\dfrac{mv}{qB}$

可求得粒子的轨迹半径与电压的关系,当$U=U_{0}=\dfrac{qB^{2}L^{2}}{8m}$时,半径$r_{1}=\dfrac{L}{2}$

$U=2U_{0}$ 时,半径$r_{2}= \dfrac{\sqrt{2}L}{2}$

$U=3U_{0}$时,半径$r_{3}=\dfrac{\sqrt{3}L}{2}$

当粒子沿$y$轴正方向射入磁场时,粒子在$xOy$平面偏转半个圆周打在$x$轴上,当加速电压为$3U_{0}$时粒子打中板上位置最远,为$\sqrt{3}L$,因此打中板长度为$\left(\sqrt{3}-\dfrac{3}{2}\right)L$

$\rm A$正确;

$\rm B$.当$U=3U_{0}$、粒子射向$xOy$平面,恰好打在板上的临界情况如图所示:

由几何关系可知:$\sin\theta=\dfrac{\dfrac{3}{4}L}{\dfrac{\sqrt{3}}{2}L}=\dfrac{\sqrt{3}}{2}$

$\theta=60^\circ$

则击中吸收板的粒子占粒子总数的比例为$\dfrac{90{^\circ}-60{^\circ}}{90{^\circ}} \times 100\%=33\%$

$\rm B$错误;

$\rm C$.当$U=U_{0}$,粒子射向$yOz$平面,速度方向与$y$轴正方向夹$30^\circ$时,粒子的运动轨迹如下图所示:

将速度分解为沿$y$轴方向的$v_{y}$和沿$z$轴方向的$v_{1}$,则粒子在$z$轴方向以$v_{1}$分速度做匀速直线运动,在$xOy$平面以$v_{y}$分速度做匀速圆周运动,故当粒子运动半周期的奇数倍时粒子离$z$轴最远,由$T=\dfrac{2\pi m}{qB}$可知,粒子与$z$轴距离最大时的时间为$t_{1}=n\dfrac{\pi m}{qB}(n=1,3,5\cdots\cdots)$

$\rm C$错误;

$\rm D$.当$U=2U_{0}$,粒子速度方向与$xOy$平面和$z$坐标轴夹角均为$45^\circ$时,初速度大小为$v_{0}=\dfrac{\sqrt{2}qBL}{2m}$

将其分解为$z$轴方向分速度$v_{Z}=\dfrac{qBL}{2m}$$xOy$平面分速度$v_{xOy}=\dfrac{qBL}{2m}$粒子在$z$轴方向以$v_{1}$分速度做匀速直线运动,在$xOy$平面以$v_{AOy}$分速度做匀速圆周运动,则经过$t_{2}=\dfrac{3\pi m}{2qB}$时粒子的坐标为$\left(\dfrac{L}{2},-\dfrac{L}{2},-\dfrac{3}{4}\pi L\right)$

$\rm D$正确。

故选:$\rm AD$

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