高中 | 带电粒子在匀强电场中的偏转运动 题目答案及解析

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选修3-1

第一章 静电场

1.9 带电粒子在电场中的运动

带电粒子在匀强电场中的偏转运动

如图所示,在$Oxy$平面直角坐标系的第一象限内,存在半径为$R$的半圆形匀强磁场区域,半圆与$x$轴相切于$M$点,与$y$轴相切于$N$点,直线边界与$x$轴平行,磁场方向垂直于纸面向里。在第一象限存在沿$+x$方向的匀强电场,电场强度大小为$E$一带负电粒子质量为$m$,电荷量为$q$,从$M$点以速度$v$沿$+y$方向进入第一象限,正好能沿直线匀速穿过半圆区域。不计粒子重力。

求磁感应强度$B$的大小;

[]
[["

$B=\\dfrac{E}{v}$

"]]

根据题意可知,由于一带负电粒子能沿直线匀速穿过半圆区域,由平衡条件有

$Eq=qvB$

解得

$B=\dfrac{E}{v}$

若仅有电场,求粒子从$M$点到达$y$轴的时间$t$

[]
[["

$t=\\sqrt{\\dfrac{2mR}{qE}}$

"]]

若仅有电场,带负电粒子受沿$x$轴负方向的电场力,由牛顿第二定律有

$Eq=ma$

又有

$R=\dfrac{1}{2}a{{t}^{2}}$

联立解得

$t=\sqrt{\dfrac{2mR}{Eq}}$

若仅有磁场,改变粒子入射速度的大小,粒子能够到达$x$轴上$P$点,$M$$P$的距离为$\sqrt{3}R$,求粒子在磁场中运动的时间${{t}_{1}}$

[]
[["

$\\text{ }{{t}_{1}}=\\dfrac{2\\pi mv}{3qE}$

"]]

根据题意,设粒子入射速度为${{v}_{0}}$,则有

$q{{v}_{0}}B=m\dfrac{v_{0}^{2}}{r}$

$T=\dfrac{2\pi r}{{{v}_{0}}}$

可得

$T=\dfrac{2\pi m}{qB}=\dfrac{2\pi mv}{qE}$

画出粒子的运动轨迹,如图所示

由几何关系可得

$\tan \theta =\dfrac{\sqrt{3}R}{R}=\sqrt{3}$

解得

$\theta =60{}^\circ $

则轨迹所对圆心角为$120{}^\circ $,则粒子在磁场中运动的时间

${{t}_{1}}=\dfrac{120{}^\circ }{360{}^\circ }\cdot T=\dfrac{2\pi mv}{3qE}$

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