Question

如圖所示為一個平面直角坐標系xoy。在第Ⅰ象限中，取一個與兩個坐標軸相切的圓，圓心為點D，切點為A、B，圖中只畫出圓的四分之一。在第Ⅱ、Ⅲ象限過M點有一條垂直x軸的虛線，其左側(cè)固定兩帶電平行金屬板P、Q，兩板間距離為d，其中心軸線與x軸重合，板右端有擋板，只在中心軸上開有小孔。在平面直角坐標系xoy的整個空間區(qū)域中（設(shè)為真空）存在勻強磁場，磁場方向垂直于紙面向里（圖中沒有畫出），磁感應強度的大小為B。在平行板內(nèi)x軸上的S點，有一個能沿x軸正向發(fā)射相同速度粒子的粒子源，粒子的質(zhì)量為m、電荷量為q（不計粒子的重力）。當調(diào)節(jié)PQ兩板間的電壓為時，粒子打到擋板上距P極板為的N點，當調(diào)節(jié)PQ兩板間的電壓為時，粒子沿x軸從小孔M點射出。從小孔M射出的粒子，在磁場中做圓周運動時恰好經(jīng)過AB段圓弧的中點C，且OM=OB（忽略電磁場間的相互影響）。求：

（1）粒子打到N點時的動能Ek

（2）圓弧ACB的半徑R。

Answer 1

【試題解析】

（1）設(shè)粒子的初速度為v0，粒子從S點到N點時有： （3分）

        當PQ兩板的電壓為時：   （2分）   得：（1分）

                代入得：                  （2分）

（2）解法一：粒子在磁場中做圓周運動，由洛侖茲力和牛頓運動定律

有    （2分）得：     （1分）

粒子做圓周運動的圓心必在過M點并垂直于x軸的直線ME上；同時這個軌跡經(jīng)過C點，所以軌跡的圓心也一定在MC的垂直平分線EF上，這樣ME與EF的交點E就是軌跡的圓心，ME就是軌跡的半徑r。過C點作MB的垂線與MB交于H點，則△MEF∽△CMH

有：                                           （2分）

由 ∠CDB=45°

得CH=OD-OC45°      （1分）

            MH                     （1分）

  （1分）

         MFMC

聯(lián)立可得：                       （2分）

解法二：粒子在磁場中做圓周運動，由牛頓運動定律有

                                  （2分）

得到：                        （1分）

粒子做圓周運動的圓心必在過M點并垂直于x軸的直線ME上；同時這個軌跡經(jīng)過C點，所以軌跡的圓心也一定在MC的垂直平分線EF上，這樣ME與EF的交點E就是軌跡的圓心，ME就是軌跡的半徑r。過C點作MB的垂線與MB交于H點。

圓的軌跡方程為：       （3分）

        C點坐標為：                  （1分）

                                     （1分）

          代入圓的軌跡方程得：       （2分）

【參考答案】