Question

16．如圖所示，空間中直線PQ以上存在磁感強度為4B的勻強磁場，PQ以下存在著磁感強度為B的勻強磁場，磁場方向均垂直紙面向里，厚度不計的平行絕緣板EF、GH間距為d，垂直于PQ放置，有一個質(zhì)量為m的帶電粒子，電量為q，從EF的中間小孔M點射出，速度與水平方向成30°角，直接到達PQ邊界并垂直邊界射入上部磁場，軌跡如圖所示，以后的運動過程中，經(jīng)一段時間后，粒子恰好能從GH板的小孔N點穿出，（粒子重力不計）求：
（1）粒子從M點出發(fā)的初速度v；
（2）粒子從M點出發(fā)，到達N點所用時間；
（3）若粒子出發(fā)條件不變，EF板不動，將GH板從原點位置向右平移，若仍需讓粒子穿過N點，則GH到EF的垂直距離x應滿足什么條件？（用d來表示x）

Answer 1

分析 （1）粒子從M點到G點過程中，已知初速度和末速度的方向，根據(jù)左手定則得到洛侖茲力的方向，兩個方向的交點即為圓心，結(jié)合幾何關系得到軌道半徑；然后根據(jù)牛頓第二定律列式求解粒子從M點出發(fā)的初速度v；
（2）（3）先不考慮GH板的影響，畫出運動軌跡，然后結(jié)合幾何關系將GH板安放在適當?shù)奈恢茫�再根�?jù)牛頓第二定律列式后分析求解即可．

解答 解：（1）由于粒子垂直于PQ進入上部的磁場，則圓心一定在PQ上，如下圖所示：

結(jié)合幾何關系，有：$\frac{R-d}{R}=sin30°$
又根據(jù) 第二定律，有：$qvB=m\frac{{v}^{2}}{R}$
可得到粒子的初速度為：v=$\frac{2qdB}{m}$
 （2）粒子進入上部磁場中軌道半徑為r，根據(jù)牛頓第二定律，有：
$qv（4B）=m\frac{{v}^{2}}{r}$
解得：r=$\fracpxb5vh5{2}$
因此粒子恰好貼著EF板射入PQ下方，由對稱性可知，N點也恰好位于M等高點，如圖所示：
則粒子在PQ下方的運動周期：${T}_{1}=\frac{2πm}{qB}$
而PQ上方的運動周期：${T}_{2}=\frac{2πm}{q（4B）}=\frac{πm}{2qB}$
從M到N的運動時間：t=$\frac{1}{3}{T}_{1}+\frac{1}{2}{T}_{2}=\frac{11πm}{12qB}$
（3）若沒有HG擋板，則粒子的運動軌跡如圖所示：

若斜向下穿過GH，則到EF的距離為：
x=d+（2R-d）n=（3n+1）d   （n=0，1，2，3…）
若斜向上穿過GH，則到EF的距離為：
x=3（n+1）d （n=0，1，2，3…）
答：（1）粒子從M點出發(fā)的初速度v為$\frac{2qdB}{m}$；
（2）粒子從M點出發(fā)，到達N點所用時間為$\frac{11πm}{12qB}$；
（3）若粒子出發(fā)條件不變，EF板不動，將GH板從原點位置向右平移，若仍需讓粒子穿過N點，則GH到EF的垂直距離為：
x=d+（2R-d）n=（3n+1）d （n=0，1，2，3…）
或x=3（n+1）d （n=0，1，2，3…）．

點評 本題關鍵是畫出運動軌跡，結(jié)合幾何關系和牛頓第二定律得到軌道半徑，本題還要考慮周期性和重復性，不難．