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

现代科学仪器常利用电场、磁场控制带电粒子的运动。如图所示,$xOy$平面直角坐标系中第$I$象限存在垂直于纸面向外的匀强磁场$B_{0}$(大小未知);第$\rm II$象限存在沿$x$轴正方向的大小未知的匀强电场;第$\rm IV$象限交替分布着沿$−y$方向的匀强电场和垂直$xOy$平面向里的匀强磁场,电场、磁场的宽度均为$L$,边界与$y$轴垂直,电场强度$E=\dfrac{2mv_{0}^{2}}{qL}$,磁感应强度$B=\dfrac{\sqrt{6}mv_{0}}{2qL}$。一质量为$m$,电量为$+q$的粒子从点$M(−L, 0)$以平行于$y$轴的初速度$v_{0}$进入第$\rm II$象限,恰好从点$N(0,2L)$进入第$I$象限,然后又垂直于$x$轴进入第$IV$象限,多次经过电场和磁场后某时刻粒子的速度沿$x$轴正方向。粒子始终在电场、磁场中运动,不计粒子重力及运动时的电磁辐射。求:

磁感应强度$B_{0}$的大小;

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$B_{0}= \\dfrac{mv_{0}}{2qL}$

"]]

设粒子在第$II$象限运动的时间为$t$,在$N$点沿$x$轴的分速度为$v_{x}$,由于粒子垂直电场方向进入电场则可知粒子在电场中做类平抛运动,由平抛运动的研究方法,$x$方向有$L=\dfrac{v_{x}}{2}t$

$y$方向有$2L=v_{0}t$

通过$N$点的速度$v_{N}=\sqrt{v_{x}^{2}+v_{0}^{2}}=\sqrt{2}v_{0}$

$y$轴正方向的夹角满足$\tan \alpha=1$

在第$I$象限运动由牛顿第二定律有$qv_{N}B_{0}=m\dfrac{v_{N}^{2}}{R}$

根据垂直于$x$轴进入第$IV$象限,由几何关系知$R=2\sqrt{2}L$

联立解得$B_{0}=\dfrac{mv_{0}}{2qL}$

粒子刚射出第$1$层磁场下边界时的速度方向;

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$y$轴负方向夹角为$30^\\circ$

"]]

设穿过$x$轴下方第一层电场后的速度为$v_{1}$,由动能定理有$EqL=\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}- \dfrac{1}{2}mv_{N}^{2}$

解得$v_{1}=\sqrt{6}v_{0}$

$x$轴下方第一层磁场中运动的轨迹如图所示

由洛伦兹力充当向心力有$Bqv_{1}=m\dfrac{v_{1}^{2}}{R_{1}}$

解得$R_{1}=2L$

设速度偏转角为$\theta$,则根据几何关系可得$\sin\theta=\dfrac{L}{R_{1}}=\dfrac{1}{2}$

$\theta=30^\circ $

即粒子射出第$1$层磁场下边界时速度的方向与$y$轴负方向夹角为$30^\circ$

粒子进入第$n$层磁场时的速度大小$v_{n}$以及最远能进入第几层磁场。

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$v_{n}=\\sqrt{2+ 4n}v_{0}$$4$

"]]

当粒子在第$n$层磁场中运动时,此前粒子已经过$n$个电场,

由动能定理$nEqL=\dfrac{1}{2}mv_{n}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{N}^{2}$

解得$v_{n}=\sqrt{2+4n}v_{0}$

若粒子在第$n$层磁场中距离$x$轴最远,则最大速度为$v_{n}$

在水平方向上由动量定理有$∑qv_{y}B\Delta t=mv_{n} − 0$

$qBy_{\rm m}=mv_{n}$

其中$y_{\rm m}$为磁场中向下运动的最远距离,由题意$(n − 1)L \lt y_{\rm m} \leqslant nL$

满足条件:$3n^{2} − 8n − 4\geqslant 0$$3n^{2} − 14n − 1 \lt 0$

解得满足条件的整数$n=4$

故最远能进入第$4$层磁场。

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