Question

（21分）

圖中左邊有一對平行金屬板，兩板相距為d，電壓為V；兩板之間有勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為，方向平行于板面并垂直于紙面朝里。圖中右邊有一邊長為a的正三角形區(qū)域EFG（EF邊與金屬板垂直），在此區(qū)域內(nèi)及其邊界上也有勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直于紙面朝里。假設(shè)一系列電荷量為q的正離子沿平行于金屬板面、垂直于磁場的方向射入金屬板之間，沿同一方向射出金屬板之間的區(qū)域，并經(jīng)EF邊中點(diǎn)H射入磁場區(qū)域。不計(jì)重力。

（1）已知這些離子中的離子甲到達(dá)磁場邊界EG后，從邊界EF穿出磁場，求離子甲的質(zhì)量。

（2）已知這些離子中的離子乙從EG邊上的I點(diǎn)（圖中未畫出）穿出磁場，且GI長為。求離子乙的質(zhì)量。

（3）若這些離子中的最輕離子的質(zhì)量等于離子甲質(zhì)量的一半，而離子乙的質(zhì)量是最大的，問磁場邊界上什么區(qū)域內(nèi)可能有離子到達(dá)。

 

Answer 1

（1） 

（2）

           

（3）所以，磁場邊界上可能有離子到達(dá)的區(qū)域是：邊上從到點(diǎn)。邊上從到。

解析:（21分）

（1）由題意知，所有離子在平行金屬板之間做勻速直線運(yùn)動(dòng)，它所受到的向上的磁場力和向下的電場力平衡，有             ①            式中，是離子運(yùn)動(dòng)的速度，是平行金屬板之間的勻強(qiáng)電場的強(qiáng)度，有                    ②             由①②式得

            ③              在正三角形磁場區(qū)域，離子甲做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。設(shè)離子甲質(zhì)量為，由洛侖茲力公式和牛頓第二定律有                                     ④

式中，是離子甲做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑。離子甲在磁場中的運(yùn)動(dòng)軌跡為半圓，圓心為：這半圓剛好與邊相切于，與邊交于點(diǎn)。在中，垂直于。由幾何關(guān)系得                                    ⑤

由⑤式得                                ⑥

聯(lián)立③④⑥式得,離子甲的質(zhì)量為      ⑦ 

（2）同理，由洛侖茲力公式和牛頓第二定律有

                                        ⑧

式中，和分別為離子乙的質(zhì)量和做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑。離子乙運(yùn)動(dòng)的圓周的圓心必在兩點(diǎn)之間，又幾何關(guān)系有

  ⑨

            由⑨式得

                            ⑩

                    聯(lián)立③⑧⑩式得，離子乙的質(zhì)量為

           （11）

（1）  對于最輕的離子，其質(zhì)量為，由④式知，它在磁場中做半徑為的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。因而與的交點(diǎn)為，有

         （12）

(2)當(dāng)這些離子中的離子質(zhì)量逐漸增大到m時(shí)，離子到達(dá)磁場邊界上的點(diǎn)的位置從點(diǎn)沿邊變到點(diǎn)；當(dāng)離子質(zhì)量繼續(xù)增大時(shí)，離子到達(dá)磁場邊界上的點(diǎn)的位置從點(diǎn)沿邊趨向于點(diǎn)。點(diǎn)到點(diǎn)的距離為

            （13）(3)所以，磁場邊界上可能有離子到達(dá)的區(qū)域是：邊上從到點(diǎn)。邊上從到。