高中 | 带电粒子在圆边界匀强磁场中的运动 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

带电粒子在圆边界匀强磁场中的运动

真空中有一匀强磁场,磁场边界为两个半径分别为$a$$3a$的同轴圆柱面,磁场的方向与圆柱轴线平行,其横截面如图所示。一速率为$v$的电子从圆心沿半径方向进入磁场。已知电子质量为$m$,电荷量为$e$,忽略重力。为使该电子的运动被限制在图中实线圆围成的区域内,磁场的磁感应强度最小为$(\quad\ \ \ \ )$

 

["

$\\dfrac{3mv}{2ae}$

","

$\\dfrac{mv}{ae}$

","

$\\dfrac{3mv}{4ae}$

","

$\\dfrac{3mv}{5ae}$

"]
[["C"]]

当电子在磁场中的运动轨迹和外圆相切时,电子在图中实线圆围成的区域内运动的半径最大,
电子的运动轨迹如图,


令电子的半径为$r$,根据几何知识有${{r}^{2}}+{{a}^{2}}={{(3a-r)}^{2}}$
所以电子的最大半径为$r=\dfrac{4}{3}a$
因为$evB=m\dfrac{{{v}^{2}}}{r}$
所以$B=\dfrac{mv}{re}$
则磁感应强度的最小值为$B=\dfrac{3mv}{4ae}$,故$\text{ABD}$错误,$\text{C}$正确。
故选:$\text{C}$

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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的粒子,粒子的质量为、电荷量为,经加速电场加速后,以大小为的速度进入圆心为的辐射状电场,做半径为的匀速圆周运动,出辐射状电场时速度方向恰好改变了,粒子出辐射状电场再沿轴运动距离后进入方向垂直纸面向里、半径为的圆形匀强磁场区域,恰好从平面直角坐标系中的点沿轴正方向射出匀强磁场区域。已知加速电场两极板间距为,圆形匀强磁场区域的圆心在平面直角坐标系的坐标原点,不计粒子重力。 如图所示,空间直角坐标系(轴未画出,正方向向外)中,平面内半径为的圆形区域与轴相切于点,圆心在处,区域内的匀强磁场沿轴正方向,磁感应强度为,区域内,匀强电场和匀强磁场的方向均沿轴正方向,电场强度为,磁感应强度为。平面的第三象限内有一平行于轴的线状粒子发射器,中点在处,与的连线平行于轴,粒子发射器可在宽度为的范围内沿轴正方向发射质量为,电荷量为的同种粒子,发射速度大小可调,,。 如图所示,一个半径为的圆形区域内分布磁感应强度大小为、方向垂直纸面向外的匀强磁场。一粒子源从圆上的点向各个方向不停地发射出相同速率的带负电粒子,粒子的质量均为、所带电荷量均为、运动的半径均为,粒子重力忽略不计。下列说法正确的是 如图所示,圆形区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场,比荷相同的两个带电粒子从同一点正对圆心射入磁场,并分别从、两点射出,不计粒子受到的重力,下列说法正确的是 同步辐射光源中储存环的简化模型如图所示,内、外半径分别为、的两个半圆环区域、中均有垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为。与间有一电势差为的加速电场,与间有一个插入件,电子每次经过插入件后,速度减小为通过前的倍。现有一个质量为、电荷量为的电子,垂直于射入插入件,经过磁场、电场再次到达的速度增加,多次循环后到达的速度不再增加,达到稳定值。不考虑相对论效应,忽略经过电场和插入件和的时间。 如图所示,半径的半圆形无场区的圆心在坐标原点处,半径,磁感应强度大小的圆形有界磁场区的圆心坐标为,平行金属板的极板长,板位于处,板位于轴。其中极板收集到的粒子全部中和吸收。一位于处的粒子源向第一、二象限均匀地发射速度为的带正电粒子,经圆形磁场偏转后,从第一象限出射的粒子速度方向均沿轴正方向,已知粒子在磁场中的运动半径,若粒子重力不计、比荷、不计粒子间的相互作用力及电场的边缘效应。
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