問題詳情:
如圖所示,半徑分別為a、b的兩同心虛線圓所圍空間分別存在電場和磁場,中心O處固定一個半徑很小(可忽略)的金屬球,在小圓空間內存在沿半徑向內的輻向電場,小圓周與金屬球間電勢差為U,兩圓之間的空間存在垂直於紙面向裏的勻強磁場,設有一個帶負電的粒子從金屬球表面沿+x軸方向以很小的初速度逸出,粒子質量為m,電量為q,(不計粒子重力,忽略粒子初速度)求:
(1)粒子到達小圓周上時的速度為多大?
(2)粒子以(1)中的速度進入兩圓間的磁場中,當磁感應強度超過某一臨界值時,粒子將不能到達大圓周,求此最小值B.
(3)若磁感應強度取(2)中最小值,且b=(+1)a,要粒子恰好第一次沿逸出方向的反方向回到原出發點,粒子需經過多少次迴旋?並求粒子在磁場中運動的時間.(設粒子與金屬球正碰後電量不變且能以原速率原路返回)
【回答】
(1)粒子在電場中加速,根據動能定律得:
所以:v=
(2)粒子進入磁場後,受洛倫茲力做勻速圓周運動,有:
要使粒子不能到達大圓周,其最大的圓半徑為軌跡圓與大圓周相切,如圖,
則有:
所以:
聯立解得:
(3)圖中 tanθ=即θ=45°
則粒子在磁場中轉過φ=270°,然後沿半徑進入電場減速到達金屬球表面,再經電場加速原路返回磁場,如此重複,恰好經過4個迴旋後,沿與原出*方向相反的方向回到原出發點.
因為
將B代入,得粒子在磁場中運動時間為t=4×=
答:(1)粒子到達小圓周上時的速度為;
(2)當磁感應強度超過某一臨界值時,粒子將不能到達大圓周,求此最小值;
(3)要粒子恰好第一次沿逸出方向的反方向回到原出發點,粒子需經過4次迴旋;粒子在磁場中運動的時間.
知識點:專題六 電場和磁場
題型:綜合題