Question

5．如圖1，在直角坐標(biāo)系X≤0的區(qū)域存在磁感強(qiáng)度大小為2B₀的勻強(qiáng)磁場，在X＞0的區(qū)域存在如圖2變化的勻強(qiáng)磁場，兩磁場方向均垂直紙面向內(nèi)，在t=0時(shí)刻有一質(zhì)量為m，帶電量為+q的帶電粒子以大小為v₀的初速度沿+X方向從O點(diǎn)進(jìn)入磁場（不計(jì)粒子重力）．

（1）求帶電粒子在0～$\frac{πm}{q{B}_{0}}$時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的半徑和周期；
（2）試畫出t=0時(shí)刻到t₁=$\frac{17πm}{4q{B}_{0}}$時(shí)刻粒子的軌跡，并求出t₁時(shí)刻粒子坐標(biāo)位置及速度方向；
（3）若在t₁=$\frac{17πm}{4q{B}_{0}}$時(shí)刻，撤去X＞0區(qū)域處磁場，同時(shí)在該區(qū)域加一沿+Y方向勻強(qiáng)電場，請(qǐng)通過計(jì)算判斷粒子再次進(jìn)入電場前能否回到O點(diǎn)．

Answer 1

分析 （1）帶電粒子進(jìn)入磁場中由洛倫茲力提供向心力，由牛頓第二定律和圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律可求其運(yùn)動(dòng)半徑和周期．
（2）粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)時(shí)間與周期的關(guān)系，畫出粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，由幾何關(guān)系求t₁時(shí)刻粒子坐標(biāo)位置，并分析速度方向．
（3）加勻強(qiáng)電場后，粒子在電場中做類平拋運(yùn)動(dòng)，由幾何知識(shí)求出粒子再次進(jìn)電場前在Y軸上的側(cè)移量，與粒子軌跡半徑比較，即可作出判斷．

解答 解：（1）帶電粒子在0～$\frac{πm}{q{B}_{0}}$時(shí)間內(nèi)，由$q{v_0}（2{B_0}）=\frac{mv_0^2}{r_1}$得 ${r_1}=\frac{{m{v_0}}}{{2q{B_0}}}$
周期${T_1}=\frac{{2π{r_1}}}{v_0}$ 得 ${T_1}=\frac{πm}{{q{B_0}}}$；
（2）當(dāng)B=B₀時(shí) ${r_2}=\frac{{m{v_0}}}{{q{B_0}}}=2{r_1}$，${T_2}=\frac{2πm}{{q{B_0}}}$=2T₁；
0～$\frac{πm}{q{B}_{0}}$的運(yùn)動(dòng)以r₁為半徑一個(gè)圓周，$\frac{πm}{q{B}_{0}}$～$\frac{2πm}{q{B}_{0}}$的運(yùn)動(dòng)以r₂為半徑半個(gè)圓周，$\frac{2πm}{q{B}_{0}}$～$\frac{3πm}{q{B}_{0}}$的運(yùn)動(dòng)以r₁為半徑一個(gè)圓周，$\frac{3πm}{q{B}_{0}}$～$\frac{7πm}{2q{B}_{0}}$的運(yùn)動(dòng)以r₁為半徑半個(gè)圓周，$\frac{7πm}{2q{B}_{0}}$～$\frac{4πm}{q{B}_{0}}$的運(yùn)動(dòng)以r₂為半徑$\frac{1}{4}$圓周，$\frac{4πm}{q{B}_{0}}$～$\frac{17πm}{4q{B}_{0}}$的運(yùn)動(dòng)以r₁為半徑$\frac{1}{4}$圓周，軌跡如下圖所示．

故坐標(biāo)為（$\frac{m{v}_{0}}{2q{B}_{0}}$，$\frac{5m{v}_{0}}{2q{B}_{0}}$），速度方向沿-X方向．
（3）如下圖，設(shè)粒子進(jìn)左側(cè)磁場時(shí)速度與+Y成θ角，則再次進(jìn)電場前在Y軸上的側(cè)移量為△Y=2rsinθ
而 r=$\frac{m{v}_{0}}{2q{B}_{0}}$
得△Y=$\frac{mvsinθ}{q{B}_{0}}$=$\frac{m{v}_{0}}{q{B}_{0}}$＜$\frac{5m{v}_{0}}{2q{B}_{0}}$
故不可能回到O點(diǎn)．

答：
（1）帶電粒子在0～$\frac{πm}{q{B}_{0}}$時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的半徑為$\frac{m{v}_{0}}{2q{B}_{0}}$，周期為$\frac{πm}{q{B}_{0}}$；
（2）畫出t=0時(shí)刻到t₁=$\frac{17πm}{4q{B}_{0}}$時(shí)刻粒子的軌跡如圖，t₁時(shí)刻粒子坐標(biāo)為（$\frac{m{v}_{0}}{2q{B}_{0}}$，$\frac{5m{v}_{0}}{2q{B}_{0}}$），速度方向沿-X方向；
（3）粒子再次進(jìn)入電場前不能回到O點(diǎn)．

點(diǎn)評(píng) 解決本題的關(guān)鍵是根據(jù)粒子的運(yùn)動(dòng)情況，畫出其運(yùn)動(dòng)軌跡，要邊計(jì)算，邊分析，分析時(shí)要抓住圓周運(yùn)動(dòng)的周期性和對(duì)稱性，結(jié)合幾何知識(shí)求解．