Question

12．不計(jì)重力的帶正電粒子，質(zhì)量為m，電荷量為q，以與y軸成60°角的速度v₀從y軸上的a點(diǎn)射入圖中第一象限所在區(qū)域．為了使該帶電粒子能從x軸上的b點(diǎn)以與x軸成60°角的速度射出，可在適當(dāng)?shù)牡胤郊右粋�(gè)垂直于xOy平面、磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)．
（1）若此磁場(chǎng)垂直于紙面向外，僅分布在一個(gè)圓形區(qū)域內(nèi)，試求這個(gè)圓形磁場(chǎng)區(qū)域的最小半徑．
（2）若此磁場(chǎng)垂直于紙面向內(nèi)，僅分布在一個(gè)正三角形區(qū)域內(nèi)，試求這個(gè)三角形磁場(chǎng)區(qū)域的最小邊長(zhǎng)．

Answer 1

分析 （1）粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力，應(yīng)用牛頓第二定律求出粒子的軌道半徑，根據(jù)題意作出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，然后求出圓形磁場(chǎng)區(qū)域的半徑．
（2）粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力，應(yīng)用牛頓第二定律求出粒子的軌道半徑，根據(jù)題意作出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，然后求出正三角形磁場(chǎng)區(qū)域的最小邊長(zhǎng)．

解答 解：（1）粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力，
由牛頓第二定律得：qv₀B=m$\frac{{v}_{0}^{2}}{r}$，解得：r=$\frac{m{v}_{0}}{qB}$，
粒子運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，最小磁場(chǎng)區(qū)域如圖所示（紅色圓），

由幾何知識(shí)得，磁場(chǎng)區(qū)域半徑：R=rsin45°=$\frac{\sqrt{2}m{v}_{0}}{2qB}$；
（2）粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力，
由牛頓第二定律得：qv₀B=m$\frac{{v}_{0}^{2}}{r}$，解得：r=$\frac{m{v}_{0}}{qB}$，
粒子運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，正三角形磁場(chǎng)區(qū)域如圖所示：

由幾何知識(shí)得，三角形的邊長(zhǎng)：
L=2$\frac{r}{tan30°}$=$\frac{2\sqrt{3}m{v}_{0}}{qB}$；
答：（1）這個(gè)圓形磁場(chǎng)區(qū)域的最小半徑為$\frac{\sqrt{2}m{v}_{0}}{2qB}$．
（2）這個(gè)三角形磁場(chǎng)區(qū)域的最小邊長(zhǎng)為$\frac{2\sqrt{3}m{v}_{0}}{qB}$．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了粒子在有界磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問(wèn)題，考查了求有界磁場(chǎng)的最小半徑、邊長(zhǎng)問(wèn)題，根據(jù)題意作出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡、確定磁場(chǎng)區(qū)域范圍是解題的關(guān)鍵；粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)洛倫茲力提供向心力，應(yīng)用牛頓第二定律與幾何知識(shí)可以解題．