Question

3．如圖所示的直角坐標(biāo)系中，從直線x=-2l₀到y(tǒng)軸區(qū)域存在兩個大小相等、方向相反的有界勻強(qiáng)電場，其中x軸上方的電場方向沿y軸負(fù)方向，x軸下方的電場方向沿y軸正方向．在電場左邊界從A（-2l₀，-l₀）點(diǎn)到C（-2l₀，0）點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)，連續(xù)分布著電量為+q、質(zhì)量為m的粒子．從某時刻起，A點(diǎn)到C點(diǎn)間的粒子依次連續(xù)以相同速度v₀沿x軸正方向射入電場．從A點(diǎn)射入的粒子恰好從y軸上的A′（0，l₀）點(diǎn)沿x軸正方向射出電場，其軌跡如圖所示．不計(jì)粒子的重力及它們間的相互作用．
（1）勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度；
（2）在A、C間還有哪些位置的粒子，通過電場后也能沿x軸正方向運(yùn)動？
（3）為便于粒子收集，可在直線x=2l₀上的某點(diǎn)為圓心的圓形區(qū)域內(nèi)，加一垂直于xOy平面向里的勻強(qiáng)磁場，使得沿x軸正方向射出電場的粒子經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)后，都能通過直線x=2l₀與圓形磁場邊界的一個交點(diǎn)．則磁場區(qū)域的最小半徑是多大？相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B是多大？

Answer 1

分析 （1）將帶電粒子的運(yùn)用沿水平和豎直方向正交分解，水平方向做勻速直線運(yùn)動，豎直方向在x軸上下方都做勻變速直線運(yùn)動，根據(jù)牛頓第二定律和運(yùn)動學(xué)公式列式分析；
（2）先畫出運(yùn)動的一般軌跡，要使粒子通過電場后能沿x軸正方向運(yùn)動，其第一次到達(dá)x軸的水平分位移的2n倍等于2l₀，根據(jù)牛頓第二定律和運(yùn)動學(xué)公式列式分析即可；
（3）先畫出各個粒子的運(yùn)動軌跡，然后根據(jù)題意確定磁場范圍，最后根據(jù)洛倫茲力提供向心力求解磁感應(yīng)強(qiáng)度．

解答 解：（1）設(shè)從A點(diǎn)射入的粒子由A點(diǎn)到A'點(diǎn)的運(yùn)動時間為t，根據(jù)運(yùn)動軌跡的對成稱性，
x方向有：2l₀=v₀t
得：t=$\frac{2{l}_{0}}{{v}_{0}}$…①
y方向有：l₀=$\frac{qE}{2m}$（$\frac{t}{2}$）²…②
解得：E=$\frac{2m{v}_{0}^{2}}{q{l}_{0}}$…③
即從AC間入射的粒子穿越電場區(qū)域的時間t為 $\frac{2{l}_{0}}{{v}_{0}}$，勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度E的大小為 $\frac{2m{v}_{0}^{2}}{q{l}_{0}}$．
（2）設(shè)到C點(diǎn)距離為△y處射出的粒子通過電場后也沿x軸正方向，粒子第一次到達(dá)x軸用時△t，水平分位移△x，
則有：△x=v₀△t…④
△y=$\frac{qE}{2m}$（△t）²…⑤
要粒子從電場中射出時速度方向也沿x軸正方向，必須滿足條件為：2l₀=n•2△x（n=1，2，3…）…⑥
聯(lián)立③④⑤⑥解得：△y=$\frac{1}{{n}^{2}}$l₀…⑦
故粒子從電場中射出時速度方向也沿x軸正方向，必須是在AC間縱坐標(biāo)為：y=（-1）ⁿ•$\frac{1}{{n}^{2}}$l₀，（n=1，2，3…）…⑧
（3）當(dāng)n=1時，粒子射出的坐標(biāo)為y₁=l₀…⑨
當(dāng)n=2時，粒子射出的坐標(biāo)為y₂=-$\frac{1}{4}$l₀…⑩
當(dāng)n≥3時，沿x軸正方向射出的粒子分布在y₁到y(tǒng)₂之間（如圖所示）．
y₁、y₂之間距離為  L=y₁-y₂=$\frac{5}{4}$l₀…（11）
所以，磁場圓O₁的最小半徑 R=$\frac{L}{2}$=$\frac{5}{8}{l}_{0}$…（12）
若使粒子經(jīng)磁場后匯集于直線x=2l₀與圓形磁場邊界的一個交點(diǎn)，分析知此點(diǎn)只能是答圖中的Q點(diǎn)，且粒子在磁場中做圓周運(yùn)動的半徑等于磁場區(qū)域圓半徑．    
由  qv₀B=m$\frac{{v}_{0}^{2}}{R}$…（13）
聯(lián)立（12）、（13）得：B=$\frac{8m{v}_{0}}{5q{l}_{0}}$…（14）
即磁場區(qū)域的最小半徑是$\frac{5}{8}{l}_{0}$，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B是$\frac{8m{v}_{0}}{5q{l}_{0}}$．
答：（1）勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度為$\frac{2m{v}_{0}^{2}}{q{l}_{0}}$；
（2）在A、C間縱坐標(biāo)為：y=（-1）ⁿ•$\frac{1}{{n}^{2}}$l₀，（n=1，2，3…）的粒子，通過電場后也能沿x軸正方向運(yùn)動．
（3）磁場區(qū)域的最小半徑是$\frac{5}{8}{l}_{0}$，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B是$\frac{8m{v}_{0}}{5q{l}_{0}}$．

點(diǎn)評 本題關(guān)鍵是將粒子的運(yùn)動沿著水平方向和豎直方向正交分解，然后根據(jù)牛頓運(yùn)動定律和運(yùn)動學(xué)公式列式分析求解；解題過程中要畫出軌跡圖分析，特別是第三小題，要畫出準(zhǔn)確的圓軌跡圖分析才能有助與問題的解決．