- 运动电荷在磁场中受到的力——洛仑兹力
- 共2261题
图14所示为圆形区域的匀强磁场,磁感应强度为B、方向垂直纸面向里,边界跟y轴相切于坐标原点O. O点处有一放射源,沿纸面向各方向射出速率均为的某种带电粒子,带电粒子在磁场中做圆周运动的半径是圆形磁场区域半径的两倍.已知该带电粒子的质量为
、电荷量为
,不考虑带电粒子的重力.
(1)推导带电粒子在磁场空间做圆周运动的轨道半径;
(2)求带电粒子通过磁场空间的最大偏转角;
(3)沿磁场边界放置绝缘弹性挡板,使粒子与挡板碰撞后以原速率弹回,且其电荷量保持不变.若从O点沿x轴正方向射入磁场的粒子速度已减小为,求该粒子第一次回到O点经历的时间.
正确答案
(1)带电粒子进入磁场后,受洛伦兹力作用,由牛顿第二定律得:
………………………………………………………………………2分
……………………………………………………………………………1分
(2)设粒子飞出和进入磁场的速度方向夹角为,则
x是粒子在磁场中轨迹的两端点的直线距离.x最大值为2R,对应的就是
最大值.且2R=r
所以…………………3分(3)当粒子的速度减小为
时,在磁场中作匀速圆周运动的半径为
………………………………………………………1分
故粒子转过四分之一圆周,对应圆心角为时与边界相撞弹回,由对称性知粒子经过四个这样的过程后第一次回到O点,亦即经历时间为一个周期.……………1分
粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期.
所以从O点沿x轴正方向射出的粒子第一次回到O点经历的时间是
…………………………………………………………………………1分
略
质子和α粒子以相同的动能垂直磁场方向射入同一匀强磁场,它们运动轨迹半径之比Rp:Rα=_________,运动周期之比Tp:Tα=_________.
正确答案
1:1;1:2.
略
如图所示,纸平面内O点有一离子源,不断向纸面内各个方向放出离子,已知离子速度V=5X106m/s,荷质比=2X107C/kg。空间中存在以粒子源为圆心垂直于纸面向里半径R1=0.5m的匀强磁场B1,在这个磁场外面还存在着以粒子源为圆心垂直于纸面向外的圆环形匀强磁场B2,外径为R2,B1= B2=0.5T,(设粒子在运动过程中不相
撞,忽略重力和粒子间的相互作用)求:
(1)粒子在B1中运动时的轨道半径为多少
(2)为了使粒子不离开磁场区域,R2的最小值
(3)求粒子从O点出发再回到O点的最短时间。
正确答案
(1)r= =0.5m
(2)如图
因为r= R1 所以θ=60°
R2=r+2rsinθ=m
(3)如图
T==2
x10-7S
t=T=
x10-7S
略
质子()和
粒子(
)从静止开始经相同的电压加速后进入同一匀强磁场做圆周运动,则这两个粒子的动能之比为 ,轨道半径之比为 ,周期之比为
正确答案
1:2, 1: , 1:2
试题分析:由动能定理知两个粒子的动能之比即是电场力做功之比,,由
,由
,联立得
,
,由周期公式
得
。
点评:本题学生能熟练运用动能定理,半径公式,周期公式解相关问题。
(18分)如图,在0≤x≤d的空间,存在垂直xOy平面的匀强磁场,方向垂直xOy平面向里。y轴上P点有一小孔,可以向y轴右侧垂直于磁场方向不断发射速率均为v、与y轴所成夹角θ可在0~1800范围内变化的带负电的粒子。已知θ =450时,粒子恰好从磁场右边界与P点等高的Q点射出磁场,不计重力及粒子间的相互作用。求
(1)磁场的磁感应强度;
(2)若θ=300,粒子射出磁场时与磁场边界的夹角(可用三角函数、根式表示);
(3)能够从磁场右边界射出的粒子在磁场中经过的区域的面积(可用根式表示)。
正确答案
(1)B=(2)cosα=
,(3)
试题分析:1)粒子在磁场中做匀速圆周运动,设粒子的轨道半径为R,磁场的磁感应
强度为B,则
qvB=m (3分)
如下图实线所示,由几何关系
d=2Rcos450 (3分)
解得 B= (2分)
(2)如上图虚线所示,由几何关系
d=Rcos300+Rcosα (2分)
解得 cosα= (2分)
(3) 能够从磁场右边界射出的粒子在磁场中经过的区域,如图中两圆弧间斜线部分所示,由几何关系
R2- (d-R)2 =(PM)2 (2分)
两个圆弧与水平线之间围成的面积是相等的,所以所求区域面积与矩形PQMN的面积
(2分)
解得 (2分)
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