Question

如圖所示，半徑為L₁ = 2 m的金屬圓環(huán)內(nèi)上、下兩部分各有垂直圓環(huán)平面的有界勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B₁ = 10/π T．長度也為L₁、電阻為R的金屬桿ab，一端處于圓環(huán)中心，另一端恰好搭接在金屬環(huán)上，繞著a端做逆時(shí)針方向的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度為ω = π/10 rad/s．通過導(dǎo)線將金屬桿的a端和金屬環(huán)連接到圖示的電路中（連接a端的導(dǎo)線與圓環(huán)不接觸，圖中的定值電阻R₁ = R，滑片P位于R₂的正中央，R₂ = 4R），圖中的平行板長度為L₂ = 2 m，寬度為d = 2 m．當(dāng)金屬桿運(yùn)動(dòng)到圖示位置時(shí)，在平行板左邊緣中央處剛好有一帶電粒子以初速度v_o = 0.5 m/s向右運(yùn)動(dòng)，并恰好能從平行板的右邊緣飛出，之后進(jìn)入到有界勻強(qiáng)磁場中，其磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B₂ = 2 T，左邊界為圖中的虛線位置，右側(cè)及上下范圍均足夠大．（忽略金屬桿與圓環(huán)的接觸電阻、圓環(huán)電阻及導(dǎo)線電阻，忽略電容器的充放電時(shí)間，忽略帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)的電磁輻射等影響，不計(jì)平行金屬板兩端的邊緣效應(yīng)及帶電粒子的重力和空氣阻力．提示：導(dǎo)體棒以某一端點(diǎn)為圓心勻速轉(zhuǎn)動(dòng)切割勻強(qiáng)磁場時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為E=BL²ω/2）試分析下列問題：

(1)從圖示位置開始金屬桿轉(zhuǎn)動(dòng)半周期的時(shí)間內(nèi)，兩極板間的電勢差U_MN；

(2)帶電粒子飛出電場時(shí)的速度方向與初速度方向的夾角θ；

(3)帶電粒子在電磁場中運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間t_總．

Answer 1

由旋轉(zhuǎn)切割公式得

E = B₁L₁²ω/2 = 2 V  

由電路的連接特點(diǎn)知

E = I·4R  U_o = I·2R =E/2 = 1 V

T₁ = 2π/ω =20 s

由右手定則知

在0~ T₁/2時(shí)間內(nèi) 金屬桿ab中的電流方向?yàn)閎→a，則φ_a > φ_b ；

在0~ T₁/2時(shí)間內(nèi) 金屬桿ab中的電流方向?yàn)閍→b，則φ_a < φ_b ．

則  在0~ T₁/2時(shí)間內(nèi)φ_M < φ_N  U_MN = - U_o = - 1 V                     … … 2′

粒子在平行板電容器內(nèi)做類平拋運(yùn)動(dòng)，在0~ T₁/2時(shí)間內(nèi)

水平方向  L₂ = v_o·t₁ 

豎直方向       

則 q/m = 0.25 C/kg    v_y = 0.5 m/s    

 tanθ = v_y / v_o = 1  所以  θ = 45⁰                                  … … 4′ 

粒子在勻強(qiáng)磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)

由 得   即   

由幾何關(guān)系及粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的對稱性可知：粒子恰好在磁場中做了3/4圓周運(yùn)動(dòng)，并且粒子剛好能從平行板電容器的另一極板重新飛回到電場中．則磁場中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為 t₂ = 3T₂/4 = 3π s ．由于 t₁ + t₂ = 4 + 3π≈13.42 s 大于T₁/2且小于T₁  則此時(shí)飛回電場時(shí)，電場方向與開始時(shí)相反，并且此時(shí)的速度與飛出電場時(shí)的速度等大、與水平方向的夾角大小相同，方向?yàn)閮A斜左上45⁰，則運(yùn)動(dòng)具有對稱性，則 t₃ = t₁ = 4 s ．

綜上  帶電粒子在電磁場中總的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為 t_總 = t₁ + t₂ + t₃= 8 + 3π≈17.42 s ．… … 4′ 

解析:

略