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高中 | 带电粒子在组合场中的运动问题题目答案及解析如下,仅供参考!
选修3-1
第三章 磁场
3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动
带电粒子在组合场中的运动问题
如图所示,一对长栅极板(粒子可自由穿过)水平放置,极板平行处间距为$d$且可看成匀强电场,极板外存在方向垂直纸面向外、磁感应强度大小为$B$的匀强磁场,极板与可调稳压电源$U$相连,正极板上$O$点处的一粒子源垂直极板向上连续发射速度为$v_{0}$($v_{0}$大小未知)的粒子,粒子的质量为$m$、电荷量为$q(q\gt 0)$,$C$点位于$O$点正上方,弧$AD$为半圆,其半径为$R$,$B$点位于圆弧最上方,$AC$的长度也为$R$,在$E$点处放置一粒子靶(忽略靶的大小),用于接收从上方打入的粒子。现有一薄挡板与半圆$AD$完全重合,薄挡板可吸收打中的粒子,当电源电压$U=0$时,粒子正好打中$A$点,忽略栅极的电场边缘效应、粒子间的相互作用,不计粒子所受的重力和阻力。

求粒子发射速度$v_{0}$的大小;
$v_{0}= \\dfrac{qBR}{2m}$
"]]粒子在磁场中做匀速圆周运动,由几何知识可得,粒子圆周运动的轨道半径$r=\dfrac{R}{2}$
洛伦兹力提供圆周运动的向心力,则有$Bqv_{0}=\dfrac{mv_{0}^{2}}{r}$
联立解得$v_{0}=\dfrac{qBR}{2m}$
调整电压的大小,使粒子从上面打在挡板上$B$点,求粒子从$O$点出发打到$B$点时所需要的时间;
$t=\\dfrac{127\\pi m}{180qB}+ \\dfrac{8md}{7qBR}$
"]]作出粒子在磁场中的运动轨迹,如图所示

由几何知识可得$r'^{2}=(2R-r')^{2}+R^{2}$
解得$r'=\dfrac{5R}{4}$
又因为$Bqv=\dfrac{mv^{2}}{r'}$
解得$v'=\dfrac{5qBR}{4m}$
又因为$O_{1}O_{2}=2R-r'=\dfrac{3}{4}R$
故$\tan\angle BO_{2}O_{1}=\dfrac{R}{\dfrac{3}{4}R}=\dfrac{4}{3}$
解得$∠BO_{2}O_{1}=53^\circ $
粒子偏转的圆心角$\theta=180^\circ -53^\circ =127^\circ $
粒子在磁场中的运动周期$T=\dfrac{2\pi m}{Bq}$
粒子在磁场中的时间$t_{1}=\dfrac{127}{360}T=\dfrac{127\pi m}{180qB}$
粒子通过电场的时间$t_{2}=\dfrac{d}{v_{平均}}=\dfrac{8md}{7qBR}$
粒子打到$B$的时间$t=t_{1}+t_{2}=\dfrac{127\pi m}{180qB}+\dfrac{8md}{7qBR}$
若$DE=17R$,调整电压大小使粒子被粒子靶接收,求粒子靶能接收到粒子时的最小电压值。
$U_{\\min}= \\dfrac{589qB^{2}R^{2}}{288m}$
"]]粒子在上下运动$2$个半圆一次会向右平移$\Delta l$,则有$\Delta l=2r-2r_{0}$
当粒子打中$E$点时,由几何关系可知$2r+n\Delta l=\overline{CE}$
即有$2r+n(2r-2r_{0})=20R(n=0, 1, 2, 3…)$
且$r\geqslant r_{2}=2R$
解得$n \leqslant \dfrac{16}{3}$
$n$可以取$0$,$1$,$2$,$3$,$4$,$5$共$6$种情况,当$n=5$时,可得最小轨道半径$r=\dfrac{25R}{12}$
速度大小$v=\dfrac{qBr}{m}=\dfrac{25qBR}{12m}$
根据动能定理$qU=\dfrac{1}{2}mv^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$,$U_{\min}=\dfrac{589qB^{2}R^{2}}{288m}$
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