Question

(14分) 如图甲所示，建立Oxy坐标系，两平行极板P、Q垂直于y轴且关于x轴对称，极板长度和板间距均为l，第一四象限有磁场，方向垂直于Oxy平面向里。位于极板左侧的粒子源沿x轴间右连接发射质量为m、电量为+q、速度相同、重力不计的带电粒子在0~3t₀时间内两板间加上如图乙所示的电压（不考虑极边缘的影响）。

已知t=0时刻进入两板间的带电粒子恰好在t₀时，刻经极板边缘射入磁场。上述m、q、、t₀、B为已知量。（不考虑粒子间相互影响及返回板间的情况）

（1）求电压U₀的大小。

（2）求t₀时刻进入两板间的带电粒子在磁场中做圆周运动的半径。

（3）带电粒子在磁场中的运动时间。

 

 

Answer 1

(14分)

解:（1）t=0时刻进入两极板的带电粒子在电场中做匀变速曲线运动，t₀时刻刚好从极板边缘射出，在y轴负方向偏移的距离为l/2，则有

    （1分）

Eq=ma    （1分）

l/2=at₀²/2    （1分）

联立解得两极板间偏转电压为。（1分）

（2）t₀时刻进入两极板的带电粒子，两极板没有电场，带电粒子做匀速直线运动。

带电粒子沿x轴方向的分速度大小为v₀=l/t₀    （1分）

设带电粒子离开电场进入磁场做匀速圆周运动的半径为R，则有  （1分）

联立⑤⑥式解得  （1分）。

（3）2t₀时刻进入两极板的带电粒子在磁场中运动时间最短。带电粒子离开磁场时沿y轴正方向的分速度为v_y=at₀，

设带电粒子离开电场时速度方向与y轴正方向的夹角为，则，（1分）

联立解得，带电粒子在磁场运动的轨迹图如图所示，圆弧所对的圆心角为，所求最短时间为, （1分）

带电粒子在磁场中运动的周期为，联立以上两式解得。（2分）

同理，t=0进入两极板的带电粒子在磁场中运动的时间最长为：（2分）

所以，带电粒子在磁场中的运动时间：（1分）