(2011?天門模擬)真空中有一半徑為r的圓柱形勻強磁場區(qū)域,磁場方向垂直于紙面向里,Ox為過邊界上O點的切線,如圖所示.從O點在紙面內(nèi)向各個方向發(fā)射速率均為V0的電子,設(shè)電子間相互作用忽略,且電子在磁場中的偏轉(zhuǎn)半徑也為r.已知電子的電荷量為e,質(zhì)量為m.
(1)速度方向分別與Ox方向夾角成60°和90°的電子,在磁場中的運動時間分別為多少?
(2)所有從磁場邊界射出的電子,速度方向有何特征?
(3)設(shè)在某一平面內(nèi)有M、N兩點,由M點向平面內(nèi)各個方向發(fā)射速率均為V0的電子.請設(shè)計一種勻強磁場分布,使得由M點發(fā)出的所有電子都能夠會聚到N點.
分析:(1)先畫出粒子運動的軌跡,找出粒子運動的圓心角,根據(jù)圓心角與周期的關(guān)系求解時間;
(2)由軌跡圖可知O2A與電子射出的速度方向垂直,電子射出方向一定與Ox軸方向平行,即所有的電子射出圓形磁場時,速度方向均與Ox軸相同;
(3)上題中從圓形磁場射出的這些速度相同的電子進(jìn)入一相同的勻強磁場后,一定會聚焦于同一點磁場的分布如圖所示,然后分對于從M點向MN連線上方運動的電子和對于從M點向MN連線下方運動的電子,根據(jù)半徑與MN間的距離的關(guān)系即可求解.
解答:解:(1)如圖,入射時電子速度與x軸夾角為θ,無論入射擊的速度方向與x軸的夾角為何值,由入射點O射出點A磁場圓心O1和軌道圓心O2一定組成邊長為r的菱形.因O1O⊥OX,OO2垂直于入射速度,故∠OO2A=θ.即電子在磁場中所偏轉(zhuǎn)的角度一定等于入射時電子速度與Ox軸的夾角.
當(dāng)θ=60°時,t1=
T
6
=
πr
3v

當(dāng)θ=90°時,t2=
T
4
=
πr
2v

(2)因∠OO2A=θ,故O2A⊥Ox.而O2A與電子射出的速度方向垂直,可知電子射出方向一定與Ox軸方向平行,即所有的電子射出圓形磁場時,速度方向均與Ox軸相同.
(3)上述的粒子路徑是可逆的,(2)中從圓形磁場射出的這些速度相同的電子進(jìn)入一相同的勻強磁場后,
一定會聚焦于同一點磁場的分布如圖所示,對于從M點向MN連線上方運動的電子,兩磁場分別與MN相切,M、N為切點,且平行于兩磁場邊界圓心的連線O1O2.設(shè)為l,所加的磁場的邊界所對應(yīng)圓的半徑為r,故應(yīng)有2r≤l,即
2mv
eB
≤l,所以所加磁場磁感應(yīng)強度應(yīng)滿足B≥
2mv
el

同理,對于從M點向MN連線下方運動的電子,只要使半徑相同的兩圓形磁場與止方的兩圓形磁場位置關(guān)于MN對稱且磁場方向
與之相反即可.
答:(1)速度方向分別與Ox方向夾角成60°和90°的電子,在磁場中的運動時間分別為
πr
3v
πr
2v
;
(2)所有從磁場邊界射出的電子,速度方向均與Ox軸相同;
(3)如圖所示.
點評:本題主要考查了帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動的問題,要求同學(xué)們能畫出粒子運動的軌跡,知道如何求小球在磁場中運動的時間,能熟練運用幾何關(guān)系解題,難度較大,屬于難題.
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