Question

1．如圖所示，在半徑為b（大小未知）的圓形區(qū)域內(nèi)，固定放置一絕緣材料制成的邊長為L的彈性等邊三角形框架DEF，其中心O位于磁場區(qū)域的圓心．在三角形框架DEF與圓周之間的空間中，充滿磁感應(yīng)強度大小為B的均勻磁場，其方向垂直紙而向里．在三角形DEF內(nèi)放置平行板電容器MN，兩板間距為d，N板緊靠EF邊，N板及EF中點S處均開有小孔，在兩板間靠近M板處有一質(zhì)量為m，電量為q （q＞0）的帶電粒子由靜止釋放，粒子經(jīng)過S處的速度大小為v=$\frac{qBL}{2m}$，方向垂直于EF邊并指向磁場．若粒子與三角形框架的碰撞均為彈性碰撞，且粒子在碰撞過程中質(zhì)量、電量均不變，不計帶電粒子的重力，平行板電容器MN產(chǎn)生的電場僅限于兩板間，求：
（1）MN間勻強電場的場強大小；
（2）若從S點發(fā)射出的粒子能再次返回S點，則圓形區(qū)域的半徑b至少為多大？
（3）若圓形區(qū)域的半徑b滿足第（2）問的條件，則從M板處出發(fā)的帶電粒子第一次返回M板處的時間是多少．

Answer 1

分析 （1）帶電粒子在勻強電場中做勻加速直線運動，由動能定理求出MN間勻強電場的場強大��；
（2）帶電粒子在勻強磁場中，只受洛倫茲力作用，由洛倫茲力提供向心做勻速圓周運動，畫出運動的軌跡圖，由結(jié)合幾何關(guān)系和圓周運動規(guī)律，求出圓形區(qū)域的半徑b的最小值；
 （3）根據(jù)帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動的軌跡圖，找到圓周運動的圓心角，結(jié)合圓周運動周期公式，求出在磁場中運動的時間；帶電粒子在電場中做勻加速直線運動，根據(jù)勻加速直線運動的規(guī)律，求出在電場中運動的時間，兩個時間相加得出運動的總時間．

解答 解：（1）帶電粒子在勻強電場中做勻加速直線運動，
               由動能定理：$Eqd=\frac{1}{2}m{v}^{2}$
                得：$E=\frac{{qB}^{2}{L}^{2}}{8dm}$； 
       （2）帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動，運動軌跡如圖，
                       
               由洛倫茲力提供向心力：$qvB=m\frac{{v}^{2}}{r}$
                                                $r=\frac{mv}{qB}=\frac{L}{2}$
               粒子運動軌跡與磁場圓內(nèi)切時磁場圓半徑最小，
               由幾何關(guān)系得：
                $_{min}=r+\frac{\sqrt{3}}{3}L=（\frac{1}{2}+\frac{\sqrt{3}}{3}）L$
        （3）粒子在磁場中做勻速圓周運動的周期：$T=\frac{2πr}{v}=\frac{2πm}{qB}$，
           由運動軌跡知粒子在磁場中重復(fù)運動三次，圓心角為300°，
           粒子在磁場中運動的總時間：${t}_{1}=3×\frac{300°}{360°}T=3×\frac{5}{6}T=\frac{5πm}{qB}$，
           帶電粒子在勻強電場中做勻加速直線運動，由M到N和N到M的時間相等，
           粒子在電場中運動的平均速度：$\overline{v}=\frac{v}{2}$，
           粒子在電場中運動的總時間：${t}_{2}=2×\fracagudwoj{\overline{v}}=\frac{8md}{BqL}$，
           則粒子運動一周的總時間：$t={t}_{1}+{t}_{2}=\frac{5πm}{qB}+\frac{8md}{qBL}$，
答：（1）MN間勻強電場的場強大小為$E=\frac{{qB}^{2}{L}^{2}}{8dm}$；
       （2）圓形區(qū)域的半徑b的最小值為$_{min}=（\frac{1}{2}+\frac{\sqrt{3}}{3}）L$；
       （3）粒子從M板處出發(fā)的帶電粒子第一次返回M板處的時間是$t=\frac{5πm}{qB}+\frac{8md}{qBL}$．

點評 本題是帶電粒子在復(fù)合場中的周期性運動問題，綜合性較強，熟練應(yīng)用動能定理和牛頓運動定律是解決帶電粒子在勻強電場中運動的關(guān)鍵；而畫出運動軌跡，找?guī)缀侮P(guān)系結(jié)合洛倫茲力提供向心力立方程，則是解決帶電粒子在勻強磁場中運動的關(guān)鍵；第三問要求第一次返回到M板的時間，讀題過程容易理解成第一次回到S點的時間，是一個易錯點．