Question

8．如圖所示，在一二象限-R≤x≤R范圍內(nèi)有豎直向下的勻強(qiáng)電場，場強(qiáng)大小為E，電場的上邊界方程為y=$\frac{1}{2R}$x²．在三四象限內(nèi)存在垂直于紙面向里、邊界方程為x²+y²=R²的勻強(qiáng)磁場．現(xiàn)在第二象限中電場的上邊界分布有許多質(zhì)量為m，電量為q的正離子，在y=$\frac{1}{2}$R處有一熒光屏，當(dāng)正離子達(dá)到熒光屏?xí)r會(huì)發(fā)光，不計(jì)重力和離子間相互作用力．
 （1）求橫坐標(biāo)為x=-$\frac{R}{2}$處的離子由靜止釋放后進(jìn)入磁場時(shí)的速度大��；
（2）若僅讓橫坐標(biāo)為x=-$\frac{R}{3}$處的離子由靜止釋故，它最后能經(jīng)過（R，0），討論從釋放到經(jīng)過點(diǎn)（R，0）所需時(shí)間t；
（3）若同時(shí)將所有離子由靜止釋放，釋放后一段時(shí)間發(fā)現(xiàn)熒光屏上只有一點(diǎn)持續(xù)發(fā)出熒光，求該點(diǎn)坐標(biāo)和磁感應(yīng)強(qiáng)度B₁．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)動(dòng)能定理求出粒子經(jīng)電場加速度后獲得的速度，即進(jìn)入磁場時(shí)速度．
（2）根據(jù)動(dòng)能定理求出x=-$\frac{R}{3}$處的離子釋放后獲得的速度，然后運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和牛頓第二定律求出從釋放到經(jīng)過點(diǎn)（R，0）所需時(shí)間t．
（3）所有離子都經(jīng)過的點(diǎn)為持續(xù)發(fā)出熒光的點(diǎn)，由幾何知識(shí)確定半徑，由牛頓第二定律求磁感應(yīng)強(qiáng)度．

解答 解：（1）當(dāng)x=$-\frac{R}{2}$，y=$\frac{1}{2R}{x}^{2}$=$\frac{R}{8}$，
根據(jù)動(dòng)能定理得，$qE\frac{R}{8}=\frac{1}{2}m{v}^{2}$，解得v=$\sqrt{\frac{qER}{4m}}$．
（2）當(dāng)x=$-\frac{R}{3}$，y=$\frac{1}{2R}{x}^{2}=\frac{R}{18}$，
根據(jù)動(dòng)能定理得，$qE\frac{R}{18}=\frac{1}{2}m{v}^{2}$，解得v=$\frac{1}{3}\sqrt{\frac{qER}{m}}$，
從釋放到到達(dá)x軸時(shí)間為：t₁=$\frac{v}{a}=\frac{\frac{1}{3}\sqrt{\frac{qER}{m}}}{\frac{qE}{m}}=\frac{1}{3}\sqrt{\frac{mR}{qE}}$．
a）第一種情況：離子直接從x=-$\frac{R}{3}$經(jīng)磁場達(dá)x=R 處．
在磁場中經(jīng)歷半圓時(shí)間為：t₂=$\frac{s}{v}$=$\frac{\frac{π}{2}（R+\frac{R}{3}）}{v}$=$2π\(zhòng)sqrt{\frac{mR}{qE}}$，
總時(shí)間為：T₁=t₁+t₂=（2π+$\frac{1}{3}$）$\sqrt{\frac{mR}{qE}}$，
b）第二種情況：離子直接從x=$-\frac{R}{3}$經(jīng)磁場達(dá)x=$\frac{R}{3}$處進(jìn)入電場返回磁場再到x=R處
易得在磁場中時(shí)間仍然為：t₂=$2π\(zhòng)sqrt{\frac{mR}{qE}}$
在電場中時(shí)間為：3t₁=$\sqrt{\frac{mR}{qE}}$，
總時(shí)間為：T₂=3t₁+t₂=（2π+1）$\sqrt{\frac{mR}{qE}}$，
（3）在磁場B中有：qvB=$m\frac{{v}^{2}}{r}$，
所以運(yùn)動(dòng)半徑為：r=$\frac{mv}{qB}$=$\frac{1}{B}\sqrt{\frac{mE}{qR}}|\begin{array}{l}{x}&{\;}\\{\;}&{\;}\end{array}|$，
可以看出，B一定時(shí)，必有r∝|x|，當(dāng)|x|→0時(shí)，r→0 （離子經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)從逼近原點(diǎn)出磁場）因此，所有離子都從原點(diǎn)（0，0）點(diǎn)出磁場，擊中熒光屏上（0，$\frac{1}{2}R$），
則有：2r=x
因?yàn)閝vB₁=m$\frac{{v}^{2}}{r}$
所以有：B₁=$\frac{mv}{qr}$=$2\sqrt{\frac{mE}{qR}}$．
答：（1）橫坐標(biāo)為x=-$\frac{R}{2}$處的離子由靜止釋放后進(jìn)入磁場時(shí)的速度大小為$\sqrt{\frac{qER}{4m}}$．
（2）從釋放到經(jīng)過點(diǎn)（R，0）所需時(shí)間為（2π+$\frac{1}{3}$）$\sqrt{\frac{mR}{qE}}$或（2π+1）$\sqrt{\frac{mR}{qE}}$．
（3）該點(diǎn)坐標(biāo)和磁感應(yīng)強(qiáng)度為$2\sqrt{\frac{mE}{qR}}$．

點(diǎn)評(píng) 本題中電場的區(qū)域邊界是數(shù)學(xué)解析式的表達(dá)方式，設(shè)計(jì)新穎，學(xué)習(xí)中應(yīng)該注意數(shù)學(xué)思想在物理中的應(yīng)用．