Question

（19分）為了獲得一束速度大小確定且方向平行的電子流，某人設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)裝置，其截面圖如題9圖所示。其中EABCD為一接地的金屬外殼。在A處有一粒子源，可以同時(shí)向平行于紙面的各個(gè)方向射出大量的速率不等的電子。忽略電子間的相互作用力，這些電子進(jìn)入一垂直于紙面向里的圓形區(qū)域勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，僅有一部分能進(jìn)入右側(cè)的速度選擇器MNPQ。已知圓形磁場(chǎng)半徑為R；速度選擇器的MN和PQ板都足夠長(zhǎng)，板間電場(chǎng)強(qiáng)度為E（圖中未畫出電場(chǎng)線），勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直于紙面向里大小為B₂，電子的電荷量大小為e，質(zhì)量為m。調(diào)節(jié)圓形區(qū)域磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B₁的大小，直到有電子從速度選擇器右側(cè)射出。求：

（1）速度選擇器的MN板帶正電還是負(fù)電？能從速度選擇器右側(cè)射出的電子的速度大小、方向如何？
（2）是否所有從粒子源A處射出并進(jìn)入磁場(chǎng)的速度大小為（1）問中的電子，最終都能從速度選擇器右側(cè)射出？若能，請(qǐng)簡(jiǎn)要證明，并求出圓形磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B₁的大小；若不能，請(qǐng)說明理由。（不考慮電子“擦”到金屬板的情形以及金屬板附近的邊界效應(yīng)）
（3）在最終能通過速度選擇器的電子中，從圓形區(qū)域磁場(chǎng)出射時(shí)距AE為的電子在圓形磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)了多長(zhǎng)時(shí)間？

Answer 1

（1）MN板帶正電；，方向平行于MN向右（2）能，（3）

解析試題分析：（1）對(duì)電子分析知，受向上的電場(chǎng)力，故MN板帶正電  （2分）
在速度選擇器中：           （2分）
得：，方向平行于MN向右           （2分）
（2）所有以速度進(jìn)入磁場(chǎng)的電子，都能從速度選擇器右側(cè)射出   （2分）
如圖為從圓形磁場(chǎng)右側(cè)圓弧上任意一點(diǎn)F向右射出速度大小為的電子運(yùn)動(dòng)軌跡。

由幾何知識(shí)易證得：，
則平行四邊形為菱形，        （2分）
即所有向右平行于MN射出磁場(chǎng)的電子，做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑都等于圓形磁場(chǎng)區(qū)域的半徑。只要速度大小為，其圓周運(yùn)動(dòng)的半徑就等于磁場(chǎng)區(qū)域半徑，都能向右射出磁場(chǎng)，并最終通過速度選擇器。（2分）
 ，           （2分）
（3）如圖，

由幾何關(guān)系：  ，，   （2分）
，              （3分）
考點(diǎn)：本題考查了帶電粒子在磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)、勻速直線運(yùn)動(dòng)。