Question

19．如圖甲所示，平行直線PQ、MN相距為d，內(nèi)有勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向垂直紙面．在苴線PQ的O點(diǎn)處有一粒子源，同時(shí)向各個(gè)方向均勻發(fā)射質(zhì)量為m，電荷量為q，速度大小相同的粒子，重力不計(jì)，邊界存在磁場(chǎng)，
（1）某粒子自O(shè)點(diǎn)垂直直線PQ射入磁場(chǎng)中，求它可能在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最長(zhǎng)時(shí)間．
（2）若所有粒子均未穿出直線MN，則粒子的速度滿(mǎn)足什么條件？
（3）若直線PQ、MN之間的磁場(chǎng)分布在以O(shè)為圓心、以d為半徑的半圓形區(qū)域內(nèi)（如圖乙），且粒子源某時(shí)刻發(fā)出的粒子中有$\frac{2}{3}$不能穿過(guò)直線MN，求粒子的速度．

Answer 1

分析 （1）粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛侖茲力提供向心力，軌跡對(duì)應(yīng)的圓心角越大，則運(yùn)動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng)，故從PQ離開(kāi)磁場(chǎng)使軌跡對(duì)應(yīng)的圓心角最大，時(shí)間最長(zhǎng)；
（2）所有粒子均未穿出直線MN，臨界情況對(duì)應(yīng)的軌跡與MN相切，結(jié)合幾何關(guān)系得到軌道半徑，再根據(jù)牛頓第二定律列式分析；
（3）粒子源某時(shí)刻發(fā)出的粒子中有$\frac{2}{3}$不能穿過(guò)直線MN，則臨界情況對(duì)應(yīng)的軌跡的初速度與直線QQ成60°角，離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)速度方向應(yīng)平行直線MN，畫(huà)出臨界軌跡，結(jié)合幾何關(guān)系和牛頓第二定律列式分析．

解答 解：（1）當(dāng)粒子能夠運(yùn)動(dòng)半周返回直線PQ時(shí)，時(shí)間最長(zhǎng)．
由牛頓第二定律得      qvB=$m\frac{{v}^{2}}{R}$，
另外周期     T=$\frac{2πR}{v}$
故T=$\frac{2πm}{qB}$
可能的最長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)間  t=$\frac{T}{2}$=$\frac{πm}{qB}$；
（2）設(shè)粒子初速度為v₁，方向平行直線PQ時(shí)，軌跡與直線MN相切，
則圓的半徑R₁=$\fracmv8nbcq{2}$；
由牛頓第二定律得：qv₁B=$m\frac{{{v}_{1}}^{2}}{{R}_{1}}$，
故v₁=$\frac{qBd}{2m}$；
粒子的速度應(yīng)滿(mǎn)足  v≤$\frac{qBd}{2m}$；
（3）設(shè)粒子速率為v₂，半徑為R₂，當(dāng)初速度方向與直線QP成60°角時(shí)，離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)速度方向應(yīng)平行直線MN．

由幾何關(guān)系得 θ=60°；
2 R₂sinθ=d，
由牛頓第二定律得  qv₂B=$m\frac{{{v}_{2}}^{2}}{{R}_{2}}$；
故v₂=$\frac{\sqrt{3}qBd}{3m}$；
答：（1）某粒子自O(shè)點(diǎn)垂直直線PQ射入磁場(chǎng)中，它可能在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最長(zhǎng)時(shí)間為$\frac{πm}{qB}$．
（2）若所有粒子均未穿出直線MN，則粒子的速度滿(mǎn)足條件：v≤$\frac{qBd}{2m}$；
（3）粒子的速度為$\frac{\sqrt{3}qBd}{3m}$．

點(diǎn)評(píng) 本題是粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)圓分析問(wèn)題，關(guān)鍵是畫(huà)出運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)合幾何關(guān)系分析臨界情況，根據(jù)牛頓第二定律列式分析．