Question

8．如圖所示，在y軸上A點沿平行x軸正方向以v₀發(fā)射一個帶正電的粒子，在該方向距A點3R處的B 點為圓心存在一個半徑為R的圓形有界的勻強磁場，磁場方向垂直紙面向外，當粒子通過磁場后打到x軸上的C點，且速度方向與x軸正向成60°角斜向下，已知帶電子粒的電量為q，質(zhì)量為m，粒子的重力忽略不計，O點到A點的距離為2$\sqrt{3}$R，求：
（1）該磁場的磁感應強度B的大�。�
（2）若撤掉磁場，在該平面內(nèi)加上一個與y軸平行的有界勻強電場，粒子仍按原方向入射，當粒子進入電場后一直在電場力的作用下打到x軸上的C點且速度方向仍與x軸正向成60°角斜向下，則該電場的左邊界與y軸的距離為多少？
（3）若撤掉電場，在該平面內(nèi)加上一個與（1）問磁感應強度大小相同的矩形有界勻強磁場，磁場方向垂直紙面向里，粒子仍按原方向入射，通過該磁場后打到x軸上的C點且速度方向仍與x軸正向成60°角斜向下，則所加矩形磁場的最小面積為多少？

Answer 1

分析 （1）根據(jù)帶電粒子在磁場中運動時，洛侖茲力提供向心力即可求得磁感應強度；
（2）帶電粒子在電場中做類平拋運動，其速度方向的反向延長線過B點，由平拋知識可得速度的方向延長線平分水平位移；
（3）由左手定則可知，粒子進入磁場后向上偏轉(zhuǎn)，并最終沿BC的方向離開磁場，以入射方向和出射方向為切線畫圓，做出粒子的運動軌跡，然后根據(jù)幾何關(guān)系求得結(jié)果．

解答 解：（1）帶電粒子離開磁場時，速度偏轉(zhuǎn)60°角，軌跡如圖所示．

由幾何關(guān)系可得：r=$\sqrt{3}R$，
根據(jù)qv₀B=m$\frac{{v}_{0}^{2}}{r}$求得：B=$\frac{\sqrt{3}m{v}_{0}}{3qR}$；
（2）粒子做類平拋運動以60°角打到C點，其速度方向的反向延長線過B點，由平拋知識可得速度的方向延長線平分水平位移．如下圖所示．

由幾何知識求出其水平位移的一半．
BD=2$\sqrt{3}Rtan30°$=2R，
所以電場的左邊的邊界到B的距離是2R，因此電場的左邊到y(tǒng)軸的距離為R．
（3）由左手定則可知，粒子進入磁場后向上偏轉(zhuǎn)，并最終沿BC的方向離開磁場，由于磁場的磁感應強度與（1）相同，所以粒子運動的半徑不變，以入射方向和出射方向為切線畫圓，則為粒子的運動軌跡，如圖所示．切點E、F分別為入射點和出射得，即為磁場的兩個邊界點，則矩形的最小面積應滿足有三條邊與圓軌跡相切，第四條邊過EF如圖．

由幾何知識可得，矩形邊長為a：
a=2r=2$\sqrt{3}R$，
矩形短邊為b：b=r+rcos30°=$\frac{2\sqrt{3}+3}{2}R$，
所以矩形的最小面積為：S_min=a•b=（6+3$\sqrt{3}$）R²．
答：（1）該磁場的磁感應強度為$\frac{\sqrt{3}m{v}_{0}}{3qR}$；
（2）若在該平面內(nèi)加上一個與y軸平行的有界勻強電場該電場的左邊界與y軸的距離為2R；
（3）所加矩形磁場的最小面積為（6+3$\sqrt{3}$）R²．

點評 本題主要考查了帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動的問題，知道向心力由洛倫茲力提供，學會利用幾何關(guān)系去求運動；
帶電粒子在電場中做類平拋運動，其速度方向的反向延長線過B點，由平拋知識可得速度的方向延長線平分水平位移．