Question

【题目】如图所示(俯视)，MN和PQ是两根固定在同一水平面上的足够长且电阻不计的平行金属导轨。两导轨间距为L＝0.2 m，其间有一个方向垂直水平面竖直向下的匀强磁场，磁感应强度B1＝5.0 T。导轨上NQ之间接一电阻R1＝0.40 Ω，阻值为R2＝0.10 Ω的金属杆垂直导轨放置并与导轨始终保持良好接触。两导轨右端通过金属导线分别与电容器C的两极板相连。电容器C紧靠准直装置b，b紧挨着带小孔a(只能容一个粒子通过)的固定绝缘弹性圆筒，圆筒壁光滑，筒内有垂直水平面竖直向下的匀强磁场，磁感应强度为B2，O是圆筒的圆心，圆筒的内半径r＝0.40 m。

(1)用一个方向平行于MN水平向左且功率恒定为P＝80 W的外力F拉金属杆，使杆从静止开始向左运动。已知杆受到的摩擦阻力大小恒为Ff＝6 N，求：当金属杆最终匀速运动时杆的速度大小及电阻R1消耗的电功率？

(2)当金属杆处于(1)问中的匀速运动状态时，电容器C内紧靠极板的D处的一个带正电的粒子经C加速、b准直后从a孔垂直磁场B2并正对着圆心O进入筒中，该带电粒子与圆筒壁碰撞四次恰好又从小孔a射出圆筒。已知该带电粒子每次与筒壁发生碰撞时电荷量和能量都不损失，不计粒子的初速度、重力和空气阻力，粒子的比荷q/m＝5×107 C/kg，则磁感应强度B2多大(结果用含有正切形式的三角函数式表达)?

Answer 1

【答案】(1)5 m/s　40 W　(2) 或

【解析】（1）金属杆先做加速度变小的加速运动，最终以最大速度匀速运动.设杆匀速运动时速度为v，回路中的感应电流为I，杆受到的安培力大小为FA，电阻R1消耗的电功率为P1，则

（1）（2）（3）

联立（2）(3)得：（4）

将已知数据代入(4)式解得：……（4分）

以及：……（1分）

（2）设杆匀速运动时C两极板间的电压为U，带电粒子进入圆筒的速率为V、在磁场中作匀速圆周运动的半径为R，由于C与电阻R1并联，

据欧姆定律得，

据动能定理有，（5）

带电粒子在磁场中作匀速圆周运动，（6）

联立（5）（6）得：（7）……（4分）

由于带电粒子与圆筒壁碰撞时无电量和能量损失，那么每次碰撞前后粒子速度大小不变、速度方向总是沿着圆筒半径方向，4个碰撞点与小孔a恰好将圆筒壁五等分，粒子在圆筒内的轨迹具有对称性，由5段相同的圆弧组成，设每段轨迹圆弧对应的圆心角为，则由几何关系可得：

（8）……（1分）

有两种情形符合题意（如图所示）：

（ⅰ）情形1：每段轨迹圆弧对应的圆心角为

联立（7）（8）并代入值得：（9）

将数据代入(9)式得：（10）……（4分）

（ⅱ）情形2：每段轨迹圆弧对应的圆心角为

联立（7）（8）并代入值得：（11）

将数据代入(11)式得：（12）……（4分）