Question

如圖所示的直角坐標(biāo)系中，從直線x=-2l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（-2l，-l）點(diǎn)到C（-2l，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v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，l）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）求從AC間入射的粒子穿越電場區(qū)域的時間t和勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度E的大小；
（2）求在A、C間還有哪些坐標(biāo)位置的粒子，通過電場后也能沿x軸正方向運(yùn)動？
（3）為便于收集沿x軸正方向射出電場的所有粒子，若以直線x=2l上的某點(diǎn)為圓心的圓形區(qū)域內(nèi)，設(shè)計(jì)分布垂直于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=2l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

【答案】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2l，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)動軌跡的對成稱性可得：
x方向有：2l=vt得    ①
y方向有：       ②
解得              ③
即從AC間入射的粒子穿越電場區(qū)域的時間t為，勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度E的大小為．
（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△x=v△t     ④
   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2l=n?2△x（n=1，2，3…）      ⑥
聯(lián)立③④⑤⑥解得：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：⑧
（3）當(dāng)n=1時，粒子射出的坐標(biāo)為y₁=l⑨
當(dāng)n=2時，粒子射出的坐標(biāo)為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     （11）
所以，磁場圓O₁的最小半徑  （12）
若使粒子經(jīng)磁場后匯集于直線x=2l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    （13）
聯(lián)立（12）（13）得：  （14）
即磁場區(qū)域的最小半徑是，相應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B是．
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．