Question

【题目】如图所示，在xoy平面内，有一个圆形区域的直径AB与x轴重合，圆心O′的坐标为（2a，0），其半径为a，该区域内无磁场．在y轴和直线x=3a之间的其他区域内存在垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B．一质量为m、电荷量为q的带正电的粒子从y轴上某点射入磁场．不计粒子重力．

（1）若粒子的初速度方向与y轴正向夹角为60°，且粒子不经过圆形区域就能到达B点，求粒子的初速度大小v1；

（2）若粒子的初速度方向与y轴正向夹角为60°，在磁场中运动的时间为，且粒子也能到达B点，求粒子的初速度大小v2；

（3）若粒子的初速度方向与y轴垂直，且粒子从O′点第一次经过x轴，求粒子的最小初速度vm．

Answer 1

【答案】（1）；（2）；（3）。

【解析】试题分析：（1）粒子不经过圆形区域就能到达B点，故粒子到达B点时速度竖直向下，圆心必在x轴正半轴上，设粒子做圆周运动的半径为r1，如图1，由几何关系得：r1sin30°=3a﹣r1（2分）

再利用洛伦兹力提供带电粒子做圆周运动的向心力： 解得粒子的半径为： （2分）

解得： （1分）

（2）粒子在磁场中的运动周期为： ，故粒子在磁场中的运动轨迹如图2所示的圆心角为为： （1分）

粒子到达B点的速度与x轴夹角 β=30° （1分）

设粒子做圆周运动的半径为r2，由几何关系得： 3a=2r2sin30°+2acos30°cos30° （1分）

再利用洛伦兹力提供带电粒子做圆周运动的向心力： 解得粒子的半径为：

解得： （1分）

（3）设粒子从C点进入圆形区域，O′C与O′A夹角为θ，轨迹圆对应的半径为r，如图3所示，由几何关系得：2a="rsinθ+acosθ" （1分）

故当θ=60°时，半径最小为（1分）

再利用洛伦兹力提供带电粒子做圆周运动的向心力： ，

解得粒子的半径为： （1分）

解得： （1分）