Question

如圖所示，在真空區(qū)域內(nèi)，有寬度為L(zhǎng)的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，磁場(chǎng)方向垂直紙面向里，MN、PQ是磁場(chǎng)的邊界．質(zhì)量為m，帶電量為-q的粒子，先后兩次沿著與MN夾角為θ（0＜θ＜90°）的方向垂直磁感線射入勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中，第一次，粒子是經(jīng)電壓U₁加速后射入磁場(chǎng)，粒子剛好沒能從PQ邊界射出磁場(chǎng)．第二次粒子是經(jīng)電壓U₂加速后射入磁場(chǎng)，粒子則剛好垂直PQ射出磁場(chǎng)．不計(jì)重力的影響，粒子加速前速度認(rèn)為是零，求：加速電壓

U1

U2

的值．

Answer 1

分析：畫出粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡，由幾何知識(shí)求出軌跡的半徑．帶電粒子在磁場(chǎng)中由洛倫茲力提供向心力，根據(jù)牛頓第二定律求出速度，再根據(jù)動(dòng)能定理研究粒子在電場(chǎng)中加速過程，即可求出加速電壓及加速電壓之比．

解答：解：經(jīng)電壓U₁加速后粒子射入磁場(chǎng)后剛好不能從PQ邊界射出磁場(chǎng)，表明在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的軌跡與PQ邊界相切，要確定粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心O的位置，如圖甲所示，圓半徑R₁與L的關(guān)系式為：L=R1+R1cosθ，R1=

L

1+cosθ

又  qv1B=

m v 2 1

R

解得v1=

BqL

m(1+cosθ)

經(jīng)電壓U₂加速后以速度v₂射入磁場(chǎng)，粒子剛好垂直PQ射出磁場(chǎng)，可確定粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的圓心在PQ邊界線的O點(diǎn)，如圖乙所示，半徑R₂與磁場(chǎng)寬L的關(guān)系式為  R2=

L

cosθ

又qv2B=

m v 2 2

R

解得v2=

BqL

mcosθ

在加速電場(chǎng)中，根據(jù)動(dòng)能定理得  U1q=

1

2

m

v

2 1

  U2q=

1

2

m

v

2 2

所以

U1

U2

=

v 2 1

v 2 2

=

cos2θ

(1+cosθ)2

答：加速電壓

U1

U2

的值等于

cos2θ

(1+cosθ)2

．

點(diǎn)評(píng)：本題中帶電粒子先加速后在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，電場(chǎng)中運(yùn)用動(dòng)能定理求解速度，在磁場(chǎng)中畫軌跡，由幾何知識(shí)求出半徑，都是必須掌握的常用方法．