問題詳情:
如圖所示,在xOy平面直角座標系中,直角三角形MNL內存在垂直於xOy平面向裏磁感應強度爲B的勻強磁場,三角形的一直角邊ML長爲6a,落在y軸上,∠NML = 30°,其中位線OP在x軸上。電子束以相同的速度v0從y軸上-3a≤y≤0的區間垂直於y軸和磁場方向*入磁場,已知從y軸上y=-2a的點*入磁場的電子在磁場中的軌跡恰好經過點。若在直角座標系xOy的第一象限區域內,加上方向沿y軸正方向、大小爲E=Bv0的勻強電場,在x=3a處垂直於x軸放置一平面熒光屏,與x軸交點爲Q,忽略電子間的相互作用,不計電子的重力。試求:
(1)電子的比荷;
(2)電子束從+y軸上*入電場的縱座標範圍;
(3)從磁場中垂直於y軸*入電場的電子打到熒光屏上距Q點的最遠距離。
【回答】
解析:(1)從y軸上y=-2a的點*入磁場的電子在磁場中的軌跡圖如圖*所示,設圓心爲,由幾何關係可知電子在磁場中的軌跡半徑爲:r = a (2分)
由牛頓第二定律得: (2分)
解得電子的比荷: (1分)
(2)當電子在磁場中運動圓軌跡恰好與邊界MN相切時,爲電子從離O點上方最遠處進入電場的地方,設該電子運動軌跡的圓心爲O′點,過O′做O′H垂直MN於H,由於粒子的軌道半徑爲a,O′H=a,根據幾何知識可知:
O′M=2a (1分)
=a (1分)
由此可做得該粒子的軌跡圖如圖乙所示。
粒子從D點離開磁場進入電場時,離O點上方最遠距離爲: (1分)
所以電子束從y軸*入電場的範圍爲0≤y≤2a (1分)
(3)假設電子沒有*出電場就打到熒光屏上,由平拋運動的規律可得:
水平方向: (1分)
豎直方向: (1分)
所以電子應*出電場後打到熒光屏上。(1分)
電子在電場中做類平拋運動,設電子在電場的運動時間爲,豎直方向位移爲y,水平位移爲x,水平方向: (1分) 豎直方向: (1分)
由以上兩式解得: (1分)
設電子最終打在光屏的最遠點距Q點爲P,電子*出電場時的夾角爲θ有:
(1分)
, (1分)
當時,即時,有最大值; (1分)
由於 ,所以 (1分)
其它解法酌情給分
知識點:質譜儀與迴旋加速器
題型:計算題