Question

（18分）“太空粒子探測(cè)器”是由加速、偏轉(zhuǎn)和收集三部分組成，其原理可簡(jiǎn)化如下：如圖1所示，輻射狀的加速電場(chǎng)區(qū)域邊界為兩個(gè)同心平行半圓弧面，圓心為O，外圓弧面AB的半徑為L(zhǎng)，電勢(shì)為φ1，內(nèi)圓弧面CD的半徑為，電勢(shì)為φ2。足夠長(zhǎng)的收集板MN平行邊界ACDB，O到MN板的距離OP=L。假設(shè)太空中漂浮著質(zhì)量為m，電量為q的帶正電粒子，它們能均勻地吸附到AB圓弧面上，并被加速電場(chǎng)從靜止開(kāi)始加速，不計(jì)粒子間的相互作用和其它星球?qū)αＷ右�力的影響�?/p>

（1）求粒子到達(dá)O點(diǎn)時(shí)速度的大��；

（2）如圖2所示，在邊界ACDB和收集板MN之間加一個(gè)半圓形勻強(qiáng)磁場(chǎng)，圓心為O，半徑為L(zhǎng)，方向垂直紙面向內(nèi)，則發(fā)現(xiàn)從AB圓弧面收集到的粒子經(jīng)O點(diǎn)進(jìn)入磁場(chǎng)后有2/3能打到MN板上（不考慮過(guò)邊界ACDB的粒子再次返回），求所加磁感應(yīng)強(qiáng)度的大��；

（3）同上問(wèn)，從AB圓弧面收集到的粒子經(jīng)O點(diǎn)進(jìn)入磁場(chǎng)后均不能到達(dá)收集板MN，求磁感應(yīng)強(qiáng)度所滿足的條件。試寫(xiě)出定量反映收集板MN上的收集效率η與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系的相關(guān)式子。

Answer 1

（1）；（2）；（3）。

【解析】

試題分析：（1）帶電粒子在電場(chǎng)中加速時(shí)，由動(dòng)能定理， （2分）

又U=φ1φ2 （2分）

所以： （1分)

（2）從AB圓弧面收集到的粒子有2/3能打到MN板上，剛好不能打到MN上的粒子從磁場(chǎng)中出來(lái)后速度方向與MN平行，則入射的方向與AB之間的夾角是60°，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖1，軌跡圓心角θ=60°（2分）

根據(jù)幾何關(guān)系，粒子圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為r=L （2分）

由牛頓第二定律得： （1分）

聯(lián)立解得： （1分）

（3）當(dāng)沿OD方向的粒子剛好打到MN上，則由幾何關(guān)系可知，（2分）

由牛頓第二定律得： （1分）

得：（1分），即（1分）

如圖2，設(shè)粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角為α，由幾何關(guān)系可知：

（1分）

MN上的收集效率：（1分

考點(diǎn)：動(dòng)能定理，牛頓第二定律，帶電粒子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。