Question

6．“太空粒子探測器”是由加速、偏轉(zhuǎn)和收集三部分組成，其原理可簡化如下：如圖1所示，輻射狀的加速電場區(qū)域邊界為兩個同心平行半圓弧面，圓心為O，外圓弧面AB的半徑為L，電勢為φ₁，內(nèi)圓弧面CD的半徑為$\frac{1}{2}$L，電勢為φ₂．足夠長的收集板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，并被加速電場從靜止開始加速，不計粒子間的相互作用和其它星球?qū)αＷ右�力的影響�?br />
（1）求粒子到達(dá)O點(diǎn)時速度的大��；
（2）如圖2所示，在邊界ACDB和收集板MN之間加一個半圓形勻強(qiáng)磁場，圓心為O，半徑為L，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)入磁場后有$\frac{2}{3}$能打到MN板上（不考慮過邊界ACDB的粒子再次返回），求所加磁感應(yīng)強(qiáng)度的大��；
（3）同上問，從AB圓弧面收集到的粒子經(jīng)O點(diǎn)進(jìn)入磁場后均不能到達(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

分析 （1）粒子在電場中加速，應(yīng)用動能定理可以求出粒子的速度；
（2）作出粒子運(yùn)動的軌跡，結(jié)合軌跡求出粒子的半徑，然后由洛倫茲力提供向心力即可求解；
（3）作出粒子運(yùn)動的軌跡，結(jié)合幾何知識求得粒子的收集率與粒子圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)過圓心角的關(guān)系，再根據(jù)此關(guān)系求得收集率為0時對應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B．

解答 解：（1）帶電粒子在電場中加速時，由動能定理得：
qU=$\frac{1}{2}$mv²-0，電勢差：U=φ₁-φ₂，解得：v=$\sqrt{\frac{2q（{φ}_{1}-{φ}_{2}）}{m}}$；
（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上的粒子從磁場中出來后速度方向與MN平行，
則入射的方向與AB之間的夾角是60°，在磁場中運(yùn)動的軌跡如圖1，軌跡圓心角θ=60°，

根據(jù)幾何關(guān)系，粒子圓周運(yùn)動的半徑為：r=L，
由牛頓第二定律得：qvB=m$\frac{{v}^{2}}{r}$，解得：B=$\frac{1}{L}$$\sqrt{\frac{2m（{φ}_{1}-{φ}_{2}）}{q}}$；
（3）當(dāng)沿OD方向的粒子剛好打到MN上，則由幾何關(guān)系可知：r₁=$\frac{1}{2}$L，
由牛頓第二定律得：qvB=m$\frac{{v}^{2}}{{r}_{1}}$，解得：B=$\frac{2}{L}$$\sqrt{\frac{2m（{φ}_{1}-{φ}_{2}）}{q}}$，則：B＞$\frac{2}{L}$$\sqrt{\frac{2m（{φ}_{1}-{φ}_{2}）}{q}}$；
如圖2，設(shè)粒子在磁場中運(yùn)動圓弧對應(yīng)的圓心角為α，由幾何關(guān)系可知：

sin$\frac{α}{2}$=$\frac{\frac{L}{2}}{r}$=$\frac{qBL}{2mv}$=$\frac{LB}{2}$$\sqrt{\frac{q}{2m（{φ}_{1}-{φ}_{2}）}}$，
MN上的收集效率：η=$\frac{π-α}{π}$；
答：（1）粒子到達(dá)O點(diǎn)時速度的大小為$\sqrt{\frac{2q（{φ}_{1}-{φ}_{2}）}{m}}$；
（2）所加磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為：$\frac{1}{L}$$\sqrt{\frac{2m（{φ}_{1}-{φ}_{2}）}{q}}$；
（3）磁感應(yīng)強(qiáng)度所滿足的條件為：B＞$\frac{2}{L}$$\sqrt{\frac{2m（{φ}_{1}-{φ}_{2}）}{q}}$；收集板MN上的收集效率η與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系的相關(guān)式子為：η=$\frac{π-α}{π}$．

點(diǎn)評 本題考查了帶電粒子在電場中的加速和磁場中的偏轉(zhuǎn)，綜合性較強(qiáng)，對學(xué)生的能力要求較高，關(guān)鍵作出粒子的運(yùn)動軌跡，選擇合適的規(guī)律進(jìn)行求解．