Question

【題目】如圖所示，半徑為a的圓內(nèi)有一固定的邊長(zhǎng)為1.5a的等邊三角形框架ABC，框架中心與圓心重合，S為位于BC邊中點(diǎn)處的狹縫．三角形框架內(nèi)有一水平放置帶電的平行金屬板，框架與圓之間存在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)．一束質(zhì)量為m、電量為q，不計(jì)重力的帶正電的粒子，從P點(diǎn)由靜止經(jīng)兩板間電場(chǎng)加速后通過(guò)狹縫S，垂直BC邊向下進(jìn)入磁場(chǎng)并發(fā)生偏轉(zhuǎn)．忽略粒子與框架碰撞時(shí)能量與電量損失．求：

(1)要使粒子進(jìn)入磁場(chǎng)后第一次打在SB的中點(diǎn)，則加速電場(chǎng)的電壓為多大？

(2)要使粒子最終仍能回到狹縫S，則加速電場(chǎng)電壓滿足什么條件？

(3)回到狹縫S的粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最短時(shí)間是多少？

Answer 1

【答案】(1)；(2)；(3)

【解析】

（1）帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入磁場(chǎng)后做圓周運(yùn)動(dòng)，結(jié)合幾何關(guān)系找到半徑，求解加速電場(chǎng)的電壓；（2）要使粒子能回到S，則每次碰撞時(shí)粒子速度都應(yīng)與邊垂直，則可能的情況是：粒子與框架垂直碰撞，繞過(guò)三角形頂點(diǎn)時(shí)的軌跡圓弧的圓心應(yīng)位于三角形頂點(diǎn)上，即SB為半徑的奇數(shù)倍；要使粒子能繞過(guò)頂點(diǎn)且不飛出磁場(chǎng)，臨界情況為粒子軌跡圓與磁場(chǎng)區(qū)域圓相切；（3）根據(jù)帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡圖，找到圓周運(yùn)動(dòng)的圓心角，結(jié)合圓周運(yùn)動(dòng)周期公式，求出在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最短時(shí)間；

（1）粒子在電場(chǎng)中加速，qU＝mv2　

粒子在磁場(chǎng)中，qvB＝　

r＝　

解得

（2）要使粒子能回到S，則每次碰撞時(shí)粒子速度都應(yīng)與邊垂直，則r和v應(yīng)滿足以下條件：

①粒子與框架垂直碰撞，繞過(guò)三角形頂點(diǎn)時(shí)的軌跡圓弧的圓心應(yīng)位于三角形頂點(diǎn)上，即SB為半徑的奇數(shù)倍，

即 (n＝1，2，3，… )

②要使粒子能繞過(guò)頂點(diǎn)且不飛出磁場(chǎng)，臨界情況為粒子軌跡圓與磁場(chǎng)區(qū)域圓相切，

即r≤a－a

解得n≥3.3，即n＝4，5，6…　

得加速電壓(n＝4，5，6，…)．

（3）粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)周期為T

qvB＝，T＝

解得T＝　

當(dāng)n＝4時(shí)，時(shí)間最短，即 tmin＝3×6×＋3×T＝T

解得tmin＝.