Question

【題目】人類(lèi)研究磁場(chǎng)的目的之一是為了通過(guò)磁場(chǎng)控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)。如圖所示，是通過(guò)磁場(chǎng)控制帶電粒子運(yùn)動(dòng)的一種模型。在0≤x＜d和d＜x≤2d的區(qū)域內(nèi)，分別存在磁感應(yīng)強(qiáng)度均為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，方向分別垂直紙面向里和垂直紙面向外。在坐標(biāo)原點(diǎn)有一粒子源，連續(xù)不斷地沿x軸正方向釋放出質(zhì)量為m，帶電量為q(q>0)的粒子，其速率有兩種，分別為v1＝，v2＝。(不考慮粒子的重力、粒子之間的相互作用)試計(jì)算下列問(wèn)題：

(1)求兩種速率的粒子在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑大小R1和R2；

(2)求兩種速率的粒子從x＝2d的邊界射出時(shí)，兩出射點(diǎn)的距離Δy的大�。�

(3)在x＞2d的區(qū)域添加一勻強(qiáng)磁場(chǎng)B1，使得從x＝2d邊界射出的兩束粒子最終匯聚成一束，并平行y軸正方向運(yùn)動(dòng)。在圖中用實(shí)線畫(huà)出粒子的大致運(yùn)動(dòng)軌跡(無(wú)需通過(guò)計(jì)算說(shuō)明)，用虛線畫(huà)出所添加磁場(chǎng)的邊界線。

Answer 1

【答案】（1）R1＝d R2＝2d（2）d

（3）如圖；

【解析】試題分析：利用洛倫茲力提供向心力結(jié)合兩粒子速率，聯(lián)立即可求出兩種速率的粒子在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑大小R1和R2；畫(huà)出粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的示意圖，利用幾何關(guān)系即可求出兩種速率的粒子從x=2d的邊界射出時(shí)，兩出射點(diǎn)的距離△y的大��；在x＞2d的區(qū)域添加一勻強(qiáng)磁場(chǎng)B1，使得從x=2d邊界射出的兩束粒子最終匯聚成一束，并平行y軸正方向運(yùn)動(dòng)，可知兩粒子在磁場(chǎng)中均轉(zhuǎn)過(guò)90°的圓心角，定性利用幾何關(guān)系和左手定則即可畫(huà)出可能的粒子軌跡和磁場(chǎng)區(qū)域的邊界，以及磁場(chǎng)的方向。

（1）粒子在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)有：，解得：

又因?yàn)榱Ｗ铀俾视袃煞N，v1＝，v2＝

所以： R2＝2d

(2)如圖為某一速率的粒子運(yùn)動(dòng)的軌跡示意圖：

輔助線如圖所示。由幾何關(guān)系知道，速率為v1的粒子射出x＝2d邊界時(shí)的坐標(biāo)為

速率為v2的粒子射出x＝2d邊界時(shí)的坐標(biāo)為

所以

（3）兩個(gè)粒子軌跡如圖中實(shí)線所示，磁場(chǎng)邊界如圖中虛線所示，可以使得從x=2d邊界射出的兩束粒子最終匯聚成一束，并平行y軸正方向運(yùn)動(dòng)。