Question

【題目】如圖所示，半徑為r的圓形勻強(qiáng)磁場區(qū)域I與x軸相切與坐標(biāo)系的原點(diǎn)O，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1，方向垂直于紙面向外，磁場區(qū)域I右側(cè)有一長方體加速管，加速管底面寬度為2r，軸線與x軸平行且過磁場區(qū)域I的圓心，左側(cè)的電勢比右側(cè)高U．在加速管出口下側(cè)距離2r處放置一寬度為2r的熒光屏，加速管右側(cè)存在方向垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場區(qū)域II，在O點(diǎn)處有一個粒子源，能沿紙面向y＞0的各個方向均勻地發(fā)射大量質(zhì)量為m、帶電荷量為q且速率相同的粒子，其中沿y軸正方向射入磁場的粒子，恰能沿軸線進(jìn)入長方形加速管并打在熒光屏的中心位置，（不計粒子重力及其相互作用）

（1）求粒子剛進(jìn)入加速管時的速度大�。�

（2）求磁場區(qū)域II的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B2；

（3）若進(jìn)入加速管的粒子數(shù)目為N，則磁場II的磁感應(yīng)強(qiáng)度B2減小10%時，有多少離子能打在熒光屏上．

Answer 1

【答案】(1) (2) (3)

【解析】（1）沿y軸正方向射入磁場的粒子，恰能沿軸線進(jìn)入長方形加速管并打在熒光屏的中心位置，則磁場區(qū)域I內(nèi)粒子運(yùn)動軌跡半徑距離為r，在勻強(qiáng)磁場Ⅰ中粒子做圓周運(yùn)動，洛倫茲力作向心力，則有：B1vq＝，
解得： ；
（2）沿y軸正方向射入磁場的粒子，恰能沿軸線進(jìn)入長方形加速管，則由動能定理可得粒子進(jìn)入磁場Ⅱ的速度為v′，有關(guān)系式：Uq＝mv′2mv2；
解得： ；
因為粒子在磁場Ⅱ中運(yùn)動，并打在熒光屏的中心位置，所以，粒子在磁場Ⅱ中做圓周運(yùn)動的半徑R′=2r，由洛倫茲力作向心力可得：B2v′q＝，所以， ，其中；
（3）在勻強(qiáng)磁場Ⅰ中，設(shè)粒子從P點(diǎn)離開磁場，如圖所示，
，
因為粒子做圓周運(yùn)動的圓心在弦長的垂直平分線上，且磁場區(qū)域和圓周運(yùn)動的半徑都為r，所以，磁場區(qū)域的兩條半徑和圓周運(yùn)動軌跡的兩條半徑構(gòu)成菱形，所以，在P點(diǎn)的徑向平行于y軸，所以，粒子離開磁場時的速度為水平方向．
若進(jìn)入加速管的粒子數(shù)目為N，則這N個粒子在豎直方向上均勻分布；
在磁場中粒子做勻速圓周運(yùn)動，洛倫茲力作向心力，有：Bvq＝，
解得： ；
磁場II的磁感應(yīng)強(qiáng)度B2減小10%時，則粒子在磁場Ⅱ中做圓周運(yùn)動的半徑為： ，
設(shè)粒子進(jìn)入磁場Ⅱ時，豎直高度為y，則只要：0≤2R″-2r-y≤2r，粒子就可以打在熒光屏上，
所以， r≤y≤r，因為N個粒子在0≤y≤2r上均勻分布，所以打在屏上的粒子數(shù)為：