Question

如圖所示，圓心為原點(diǎn)、半徑為R的圓將xoy平面分為兩個(gè)區(qū)域，即圓內(nèi)區(qū)域Ⅰ和圓外區(qū)域Ⅱ．區(qū)域Ⅰ內(nèi)有方向垂直于xoy平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B．平行于x軸的熒光屏垂直于xoy平面，放置在直線y=-2R的位置．一束質(zhì)量為m、電荷量為q、速度為v₀的帶正電粒子從坐標(biāo)為（-R，0）的A點(diǎn)沿x軸正方向射入?yún)^(qū)域Ⅰ，粒子全部垂直打在熒光屏上坐標(biāo)為（0，-2R）的M點(diǎn)．若區(qū)域Ⅱ中加上平行于x軸的勻強(qiáng)電場(chǎng)，從A點(diǎn)沿x軸正方向以速度2v₀射入?yún)^(qū)域Ⅰ的粒子垂直打在熒光屏上的N點(diǎn)．不考慮重力作用，求：
（1）在區(qū)域Ⅰ中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小和方向．
（2）在區(qū)域Ⅱ中電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為多大？MN兩點(diǎn)間距離是多少？

Answer 1

分析：帶電粒子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力始終與速度相垂直，由于洛倫茲力不做功，所以動(dòng)能不變．帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，由左手定則可判定洛倫茲力方向．從而可根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定洛倫茲力的方向，最終能得出磁感應(yīng)強(qiáng)度大小與方向．
當(dāng)粒子垂直射入勻強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，粒子做類平拋運(yùn)動(dòng)，從而利用平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)解題．由軌跡的幾何關(guān)系可以得到MN的間距．

解答：解：
（1）如圖1所示，粒子在區(qū)域Ⅰ中運(yùn)動(dòng)四分之一圓周后，從C點(diǎn)沿y軸負(fù)方向打在M點(diǎn)，軌跡圓心是O₁點(diǎn)，半徑為    r₁=R    
 由洛倫茲力充當(dāng)向心力得：qv0B=m

v02

r1

 解得：B=

mv0

qR

    
由帶正電粒子向下偏轉(zhuǎn)，由左手定則可知，B方向?yàn)榇怪眡oy平面向外
（2）當(dāng)2v₀速度射入，粒子在區(qū)域Ⅰ中作圓周運(yùn)動(dòng)半徑為2R，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖
由右圖2及幾何關(guān)系可知：OO2=

5

R
sinθ=

5

5

 
cosθ=

2 5

5

sin2θ=2sinθcosθ=

4

5

   
所以    cos2θ=

3

5

      
OD=Rsin2θ=

4R

5

粒子進(jìn)入電場(chǎng)后沿y軸方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則時(shí)間t為
t=

2R-OD

2v0sin2θ

=

6 5 R

8v0 5

=

3R

4v0

   
粒子在x軸方向做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，則：
   a=

2v0cos2θ

t

              
又：qE=ma
聯(lián)立得：E=

8mv02

5qR

                  
 MN=MF+FN=Rcos2θ+

2v0cos2θ

2

t=

21

20

R      
答：
（1）在區(qū)域Ⅰ中磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小為B=

mv0

qR

，方向?yàn)榇怪眡oy平面向外．
（2）在區(qū)域Ⅱ中電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為E=

8mv02

5qR

，MN兩點(diǎn)間距離是

21

20

R

點(diǎn)評(píng)：帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，處理時(shí)注意：定圓心、畫軌跡、求半徑；而在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)，處理時(shí)：電場(chǎng)強(qiáng)度方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，垂直電場(chǎng)強(qiáng)度方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)．