高中 | 带电粒子在圆边界匀强磁场中的运动 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动

带电粒子在圆边界匀强磁场中的运动

如图所示,一个半径为$R$的圆形区域内分布磁感应强度大小为$B$、方向垂直纸面向外的匀强磁场。一粒子源从圆上的$A$点向各个方向不停地发射出相同速率的带负电粒子,粒子的质量均为$m$、所带电荷量均为$q$、运动的半径均为$r$,粒子重力忽略不计。下列说法正确的是$(\qquad)$

["

$r=2R$,则粒子在磁场中运动的最长时间为$\\dfrac{\\pi m}{3qB}$

","

$r=2R$,则粒子能打在圆形磁场圆周上的范围是半个圆周

","

$r=\\dfrac{1}{2}R$,则粒子在磁场中运动的最长时间为$\\dfrac{\\pi m}{qB}$

","

$r=\\dfrac{1}{2}R$,则粒子能打在圆形磁场圆周上的范围是六分之一个圆周

"]
[["AD"]]

$\rm AB$.若$r=2R$,根据几何关系可知,粒子沿不同方向射入磁场,会从磁场圆的不同位置出射,范围是整个圆周长;其中粒子在磁场中运动的时间最长时,运动轨迹的弦是磁场区域的直径,作出轨迹如图所示

因为$r=2R$,则圆心角$\alpha=60^\circ $,粒子在磁场中运动的最长时间为$t_{\rm \max}=\dfrac{60^\circ}{360^\circ}T=\dfrac{1}{6} \times \dfrac{2\pi m}{qB}=\dfrac{\pi m}{3qB}$

$\rm A$正确,$\rm B$错误;

$\rm CD$.若$r=\dfrac{1}{2}R$,粒子在磁场圆的出射点都在$AP$之间,如图所示

由几何关系可知,$AP$弧长对应的圆心角为$60^\circ $,所以粒子能打在圆形磁场圆周上的范围是六分之一圆周长,在磁场中运动时间最长的粒子正好转过了一周,时间为$t_{\rm \max}=T=\dfrac{2\pi m}{qB}$

$\rm C$错误,$\rm D$正确。

故选:$\rm AD$

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