- 带电粒子在混合场中的运动
- 共247题
25.如图14所示,在xOy平面内,以O′(0,R)为圆心、R为半径的圆内有垂直平面向外的匀强磁场,x轴下方有垂直平面向里的匀强磁场,两区域磁感应强度大小相等.第四象限有一与x轴成45°角倾斜放置的挡板PQ,P、Q两点在坐标轴上,且O、P两点间的距离大于2R,在圆形磁场的左侧0<y<2R的区间内,均匀分布着质量为m、电荷量为+q的一簇带电粒子,当所有粒子均沿x轴正向以速度v射入圆形磁场区域时,粒子偏转后都从O点进入x轴下方磁场,结果有一半粒子能打在挡板上.不计粒子重力、不考虑粒子间相互作用力.
求:
(1)磁场的磁感应强度B的大小;
(2)挡板端点P的坐标;
(3)挡板上被粒子打中的区域长度.
正确答案
见解析。
解析
(1)设一粒子自磁场边界A点进入磁场,该粒子由O点射出圆形磁场,轨迹如图甲所示,过A点做速度的垂线,长度为r,C为该轨迹圆的圆心.
连接AO′、CO,可证得ACOO′为菱形,根据图中几何关系可知:粒子在圆形磁场中的轨道半径r=R,
由qvB=
得B=
(2)有一半粒子打到挡板上需满足从O点射出的沿x轴负方向的粒子、沿y轴负方向的粒子轨迹刚好与挡板相切,如图乙所示,过圆心D作挡板的垂线交于E点,
DP=R,OP=(
+1)R
P点的坐标为[(+1)R,0]
(3)设打到挡板最左侧的粒子打在挡板上的F点,如图丙所示,OF=2R
过O点作挡板的垂线交于G点,
OG=(+1)R·
=(1+
)R
EG=R
挡板上被粒子打中的区域长度
知识点
25.如图10所示,空间分布着有理想边界的匀强电场和匀强磁场,左侧匀强电场的场强大小为E、方向水平向右,其宽度为L;中间区域匀强磁场的磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向外;右侧匀强磁场的磁感应强度大小也为B、方向垂直纸面向里。一个带正电的粒子(质量m,电量q,不计重力)从电场左边缘a点由静止开始运动,穿过中间磁场区域进入右侧磁场区域后,又回到了a点,然后重复上述运动过程。(图中虚线为电场与磁场、相反方向磁场间的分界面,并不表示有什么障碍物)。求:
(1)带电粒子进入磁场时的速度大小;
(2)中间磁场区域的宽度d为多大;
(3)带电粒子从a点开始运动到第一次回到a点时所用的时间t.
正确答案
解析
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知识点
25.如图所示,两平行金属板A、B长l=8cm,两板间距离d=8cm,B板比A板电势高300V,即UBA=300V。一带正电的粒子电量q=10-10C,质量m=10-20kg,从R点沿电场中心线垂直电场线飞入电场,初速度v0=2×106m/s,粒子飞出平行板电场后经过无场区域后,进入界面为MN、PQ间匀强磁场区域,从磁场的PQ边界出来后刚好打在中心线上离PQ边界4L/3处的S点上。已知MN边界与平行板的右端相距为L,两界面MN、PQ相距为L,且L=12cm。求(粒子重力不计)
(1)粒子射出平行板时的速度大小v;
(2)粒子进入界面MN时偏离中心线RO的距离多远?
(3)画出粒子运动的轨迹,并求匀强磁场的磁感应强度B的大小。
正确答案
(1)粒子在电场中做类平抛运动
设粒子从电场中飞出时的侧向位移为h,穿过界面PS时偏离中心线OR的距离为y,则: h=at2/2
代入数据,解得: h=0.03m=3cm
带电粒子在离开电场后将做匀速直线运动,由相似三角形知识得:
代入数据,解得: y=0.12m=12cm
(3)设粒子从电场中飞出时的速度方向与水平方向的夹角为θ,则:
轨迹如图所示
由几何知识可得粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径:
由:
代入数据,解得:
解析
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知识点
26.如图甲所示,两平行金属板A、B的板长l=0.20m,板间距d=0.20m,两金属板间加如图乙所示的交变电压,并在两板间形成交变的电场,忽略其边缘效应.在金属板右侧有一方向垂直于纸面向里的匀强磁场.其左右宽度D=0.40 m,上下范围足够大,边界MN和PQ均与金属板垂直.匀强磁场的磁感应强度.现从t=0开始,从两极板左端的中点O处以每秒1000个的速率不停地释放出某种带正电的粒子,这些粒子均以
的速度沿两板间的中线OO′射入电场,已知带电粒子的比荷
,粒子的重力和粒子间的相互作用都忽略不计,在粒子通过电场区域的极短时间内极板间的电压可以看作不变,
。问:
(1)t=0时刻进入的粒子,经边界MN射入磁场和射出磁场时两点间的距离是多少?
(2)当AB板间电压满足什么条件时,带电粒子可以进入磁场?在电压变化的第一个周期内有多少个带电的粒子能进入磁场?
(3)何时由O点进入的带电粒子在磁场中运动的时间最长?最长时间为多少?(π≈3)
正确答案
解析
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知识点
26.如图所示,一带电粒子先以某一速度在竖直平面内做匀速直线运动,经过一段时间后进入一磁场方向垂直于纸面向里、磁感应强度大小为B的圆形匀强磁场区域(图中未画出该磁场区域),粒子飞出磁场后垂直电场方向进入宽为L的匀强电场,电场强度的大小为E、方向竖直向上。当粒子穿出电场时速率变为原来的倍,已知带电粒子的质量为m、电荷量为q、重力不计,粒子进入磁场前的速度与水平方向成θ=60°角。求:
(1)粒子的电性;
(2)带电粒子在磁场中运动时的速度大小;
(3)该圆形磁场区域的最小面积。
正确答案
(1)粒子带负电。
(2)设粒子在磁场中运动的速率为(即粒子
以速率进入电场),在电场中的运动时间为t,飞出电场时速度的大小为v,由类平抛运动规律有:
解得:
(3)如图所示,带电粒子在磁场中所受洛伦兹力提供向心力,设粒子在磁场中做圆周运动的半径为R,圆形磁场区域的最小半径为r,
则有:,
解得:
由几何知识可知:
磁场区域的最小面积联立以上各式可得:
解析
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知识点
17.如图所示,有一倾角为30°的光滑斜面,匀强磁场垂直斜面,匀强电场沿斜面向上并垂直斜面底边。一质量为m、带电荷量为q的小球,以速度v在斜面上做半径为R匀速圆周运动。则( )
正确答案
解析
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知识点
21.如图所示,两平行金属板A、B水平放置,板间存在垂直纸面向里的匀强磁场,闭合开关使电容器充电,一个不计重力的带电粒子恰能水平向右匀速通过,则
正确答案
解析
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知识点
26.如图所示,在第一象限有一沿方向的匀强电场,在
轴下方分布有两个匀强磁场区域
、
(
、
大小未知,方向均垂直于
平面向外),以直线
为分界线一质量为
,电量为
的带电粒子以平行于
轴的速度
从
轴上P点射入电场后,在
轴上的Q点处进入磁场
区域;
,
;在
直线上有一点M,
,现在
之间放一绝缘弹性板,板长略小于
(不影响粒子在
、
两点的运动),粒子与板碰后反弹,沿板方向的分速度不变,垂直板的方向分速度与碰前大小相等方向相反,带电粒子电量不变、重力不计
(1)求粒子进入磁场时的速度大小和方向;
(2)粒子恰好从M点离开右侧磁场区域,求大小的可能取值;
(3)粒子由M点进入左侧磁场区域后,不再打板,而是直接垂直穿过轴上的N点,求粒子从P点运动到N点的过程中所用的时间
正确答案
解析
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知识点
26.如图12甲所示,在真空中,虚线所围的圆形区域内存在范围足够大的匀强磁场,磁场方向垂直纸面向里。在磁场右侧有一对平行板M和N,两板间距离为6 L0,板长为12 L0,板的中心线O1O2与磁场的圆心O在同一直线上且O1恰在磁场边缘。给M、N板上加上如图乙所示的电压,电压大小恒为U0,周期大小可调。在t=0时刻,有一电荷量为q、质量为m的带电粒子,从M、N板右侧沿板的中心以大小为v的速度向左射入M、N之间,粒子刚好以平行于M、N板的速度穿出电场。(不计粒子重力)
(1)求周期T应该满足的条件?
(2)若粒子恰好从金属板的左边缘沿平行板的速度离开电场,进入磁场后又能平行于M、N极板返回电场,求磁场磁感应强度B的大小。
正确答案
(1)设穿过电厂的时间为t,则t=NT
(2)粒子能平行于M、N板返回电厂,说明在磁场中运动恰好经过半个圆周,则由几何关系有:
由洛仑兹力提供向心力有:
由以上两式解得:
解析
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知识点
26.如图所示,在平面内,紧挨着的三个“柳叶”形有界区域①②③内(含边界上)有磁感应强度为B的匀强磁场,它们的边界都是半径为a的
圆弧,每个
圆弧的端点处的切线要么与
轴平行、要么与y轴平行①区域的下端恰在O点,①②区域在A点平顺连接、②③区域在C点平顺连接,大量质量均为m,电荷量均为q的带正电的粒子依次从坐标原点O以相同的速率、各种不同的方向射入第一象限内(含沿
轴、y轴方向),它们只要在磁场中运动,轨道半径就都为a,在y≤-a的区域,存在场强为E的沿
方向的匀强电场。整个装置在真空中,不计粒子重力、不计粒子之间的相互作用
(1)粒子从O点出射时的速率;
(2)这群粒子中,从O点射出至运动到轴上的最长时间;
(3)这群粒子到达y轴上的区域范围。
正确答案
(1)由,得
(2)这些粒子中,从O沿轴方向射入磁场的粒子,从O到C耗时最长,
由得
(3)这些粒子经过①区域偏转后方向都变成与轴平行;接着匀速直线进入②区域,经过②区域偏转又都通过C点;从C点进入③区域,经过③区域偏转,离开③区域时,所有粒子都变成与
轴平行(即垂直进入电场)
对于从进入电场的粒子,在
方向的分运动有:
解得
则该粒子运动到轴上的坐标为
对于从进入电场的粒子,在
方向的分运动有:
解得:
则该粒子运动到轴上的坐标为
这群粒子运动到轴上的区间为
解析
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知识点
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