Question

兩塊足夠大的平行金屬極板水平放置，極板間加有空間分布均勻、大小隨時間周期性變化的電場和磁場，變化規(guī)律分別如圖1、圖2所示（規(guī)定垂直紙面向里為磁感應(yīng)強度的正方向）。在t=0時刻由負(fù)極板釋放一個初速度為零的帶負(fù)電的粒子（不計重力）。若電場強度E₀、磁感應(yīng)強度B₀、粒子的比荷均已知，且，兩板間距。

（1）求粒子在0～t₀時間內(nèi)的位移大小與極板間距h的比值。

（2）求粒子在板板間做圓周運動的最大半徑（用h表示）。

（3）若板間電場強度E隨時間的變化仍如圖1所示，磁場的變化改為如圖3所示，試畫出粒子在板間運動的軌跡圖（不必寫計算過程）。

Answer 1

解法一：（1）設(shè)粒子在0～t₀時間內(nèi)運動的位移大小為s₁

①

②

又已知

聯(lián)立①②式解得

③

（2）粒子在t₀~2t₀時間內(nèi)只受洛倫茲力作用，且速度與磁場方向垂直，所以粒子做勻速圓周運動。設(shè)運動速度大小為v₁，軌道半徑為R₁，周期為T，則

④

⑤

聯(lián)立④⑤式得

⑥

又 ⑦

即粒子在t₀~2t₀時間內(nèi)恰好完成一個周期的圓周運動。在2t₀~3t₀時間內(nèi)，粒子做初速度為v₁的勻加速直線運動，設(shè)位移大小為s₂

⑧

解得 　 ⑨

由于s₁+s₂＜h,所以粒子在3t₀~4t₀時間內(nèi)繼續(xù)做勻速圓周運動，設(shè)速度大小為v₂，半徑為R₂

⑩

解得

由于s₁+s₂+R₂＜h,粒子恰好又完成一個周期的圓周運動。在4t₀~5t₀時間內(nèi)，粒子運動到正極板（如圖1所示）。因此粒子運動的最大半徑。

（3）粒子在板間運動的軌跡如圖2所示。

解法二：由題意可知，電磁場的周期為2t₀，前半周期粒子受電場作用做勻加速直線運動，加速度大小為

　 　方向向上

　后半周期粒子受磁場作用做勻速圓周運動，周期為T 　

　粒子恰好完成一次勻速圓周運動。至第n個周期末，粒子位移大小為s_n 　

　又已知　

　由以上各式得

　粒子速度大小為

粒子做圓周運動的半徑為 　

解得

顯然 　

　（1）粒子在0～t₀時間內(nèi)的位移大小與極板間距h的比值

　（2）粒子在極板間做圓周運動的最大半徑

　（3）粒子在板間運動的軌跡圖見解法一中的圖2。