Question

如圖所示，粒子源S可以不斷地產(chǎn)生質(zhì)量為m、電荷量為+q的粒子，粒子從小孔O₁漂進(jìn)（不計初速）一個水平方向的加速電場，再經(jīng)小孔0₂進(jìn)入相互正交的勻強(qiáng)電場和勻強(qiáng)磁場區(qū)域，其電場強(qiáng)度大小為E，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B₁，方向如圖．虛線PQ、MN之間存在著水平向右的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B₂（方向圖中未畫出）．現(xiàn)有n塊折成直角的相同硬質(zhì)塑料板abc（不帶電，寬度很窄，厚度不計）緊靠在一起，恰好放置在PQ、MN之間（截面圖如圖），ab=bc=L，θ=45°．現(xiàn)使粒子能沿水平虛線0₂₃進(jìn)入PQ、MN之間的區(qū)域．假設(shè)粒子的重力、空氣阻力均不計，粒子與板相碰后，速率不變，方向變化遵守光的反射定律．求：

（1）加速電壓U
（2）粒子在B₂磁場中運(yùn)動的總時間t；
（3）粒子在PQ、MN之間運(yùn)動的平均速度大小v，．

Answer 1

【答案】分析：（1）粒子經(jīng)過復(fù)合場時，電場力向下，洛倫茲力向上，都與速度垂直，故合力為零，根據(jù)平衡條件列式求解速度；根據(jù)動能定理研究加速過程，得到加速電壓U．
（2）（3）粒子與磁場第一次碰撞后，速度向上，洛倫茲力提供向心力，在與ac邊垂直的平面內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動，經(jīng)過一圈后，與ab邊內(nèi)側(cè)碰撞，碰撞后水平向右運(yùn)動，與bc邊二次碰撞后，在與ac邊垂直的平面內(nèi)做再次勻速圓周運(yùn)動，又經(jīng)過一圈后，與b邊外側(cè)碰撞，水平向右離開磁場．先分析出運(yùn)動軌跡，再分勻速直線運(yùn)動和勻速圓周運(yùn)動討論，對于勻速圓周運(yùn)動，先計算半徑和周期，再根據(jù)軌跡計算平均速度．
解答：解：（1）設(shè)粒子被加速電場加速后的速率為v．粒子在正交電磁場中做勻速直線運(yùn)動，則有Eq=qvB₁，
則v=
由動能定理得 qU=mv²
加速電壓為U=
（2）粒子從O₃以速率v進(jìn)入PQ、MN之間的區(qū)域，先水平向右做勻速運(yùn)動，打到ab板上，以大小為v的速度垂直于B₂磁場方向做半徑為R的勻速圓周運(yùn)動，
運(yùn)動一周后打到 ab板的下表面，隨后又以大小為v的速度方向向右做勻速運(yùn)動…
     qvB₂=m
     T=
得 周期T=
粒子在磁場B₂中共碰到2n塊直板，做圓周運(yùn)動所需的總時間為 t₁=2nT
粒子進(jìn)入磁場B₂中在ac方向的總位移為  s=nL
對應(yīng)的時間為
所以粒子在B₂磁場中運(yùn)動的總時間t=t₁+t₂=+；
（3）粒子在PQ、MN之間運(yùn)動的平均速度==．
答：
（1）加速電壓U是．
（2）粒子在B₂磁場中運(yùn)動的總時間t是+．
（3）粒子在PQ、MN之間運(yùn)動的平均速度大小是．
點評：本題中的復(fù)合場具有速度選擇的功能，進(jìn)入磁場區(qū)域后，根據(jù)動力學(xué)規(guī)律先確定運(yùn)動軌跡，再進(jìn)行計算．