高中 | 带电粒子在组合场中的运动问题 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

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;

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$v_{0}= \\dfrac{qBR}{2m}$

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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;

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$t=\\dfrac{127\\pi m}{180qB}+ \\dfrac{8md}{7qBR}$

"]]

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$O_{1}O_{2}=2R-r'=\dfrac{3}{4}R$

$\tan\angle BO_{2}O_{1}=\dfrac{R}{\dfrac{3}{4}R}=\dfrac{4}{3}$

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$t=t_{1}+t_{2}=\dfrac{127\pi m}{180qB}+\dfrac{8md}{7qBR}$

$DE=17R$,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。

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$U_{\\min}= \\dfrac{589qB^{2}R^{2}}{288m}$

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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$2r+n(2r-2r_{0})=20R(n=0, 1, 2, 3…)$

$r\geqslant r_{2}=2R$

解得$n \leqslant \dfrac{16}{3}$

$n$可以取$0$$1$$2$$3$$4$$5$$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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