Question

如圖所示，在NOQ范圍內(nèi)有垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場I，在MOQ范圍內(nèi)有垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場Ⅱ，M、O、N在一條直線上，∠MOQ=60°，這兩個(gè)區(qū)域磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B．離子源中的離子帶電荷量為+q，質(zhì)量為m，通過小孔O₁進(jìn)入兩板間電壓為U的加速電場區(qū)域（可認(rèn)為初速度為零），離子經(jīng)電場加速后由小孔O₂射出，再從O點(diǎn)進(jìn)入磁場區(qū)域I，此時(shí)速度方向沿紙面垂直于磁場邊界MN不計(jì)離子的重力．
（1）若加速電場兩板間電壓U=U，求離子進(jìn)入磁場后做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R
（2）在OQ上有一點(diǎn)P，P點(diǎn)到O點(diǎn)距離為若離子能通過P點(diǎn)，求加速電壓U和從O點(diǎn)到P點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)．

Answer 1

【答案】分析：（1）離子在電場中加速時(shí)，根據(jù)動(dòng)能定理求解獲得的速度．離子進(jìn)入磁場后，由洛倫茲力提供向心力，離子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律求解離子進(jìn)入磁場后做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R．
（2）OQ是一條直線，離子進(jìn)入磁場時(shí)速度與OQ的夾角為30°，由幾何知識(shí)分析得知，離子每次經(jīng)過OQ一次，速度偏轉(zhuǎn)60°，沿OQ方向前進(jìn)的距離等于半徑R，若離子能通過P點(diǎn)，則有 L=nR，即可求解加速電壓，由圓心角求出時(shí)間．
解答：解：（1）離子在電場中加速時(shí)，根據(jù)動(dòng)能定理得
   qU=
電子在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由洛倫茲力提供向心力，則有
   qvB=
聯(lián)立解得，R=
（2）離子進(jìn)入磁場時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，由幾何關(guān)系可知 
==R
要保證離子通過P點(diǎn)，必須有 L=nR
解得，U= 其中n=1，2，3，…
又離子運(yùn)動(dòng)的周期為 T=
則離子從O點(diǎn)到P點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為 t=n=，其中n=1，2，3，…
答：（1）離子進(jìn)入磁場后做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R為．
（2）加速電壓U是 其中n=1，2，3，…，離子從O點(diǎn)到P點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為，其中n=1，2，3，…．
點(diǎn)評(píng)：本題分析離子在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，關(guān)鍵要抓住離子經(jīng)過OQ邊界時(shí)速度方向與邊界的夾角相等，根據(jù)周期性求解半徑，確定時(shí)間．