（18分）如圖所示，豎直平面內(nèi)邊長為a的正方形ABCD是磁場的分界線，在正方形的四周及正方形區(qū)域內(nèi)存在方向相反、磁感應強度的大小均為B的與豎直平面垂直的勻強磁場，M、N分別是邊AD、BC的中點。現(xiàn)有一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電粒子從M點沿MN方向射出，帶電粒子的重力不計。

（1）若在正方形區(qū)域內(nèi)加一與磁場方向垂直的勻強電場，恰能使以初速度v0射出的帶電粒子沿MN直線運動到N點，求所加電場的電場強度的大小和方向。
（2）為使帶電粒子從M點射出后，在正方形區(qū)域內(nèi)運動到達B點，則初速度v0應滿足什么條件?
（3）試求帶電粒子從M點到達N點所用時間的最小值，并求出此條件下粒子第一次回到M點的時間。

（1）E=Bv0方向豎直向下  （2）v0=5aqB/4m （3）t’=2T=4m/qB

解析試題分析：（1）由題意，電場力與洛倫茲力平衡，有：qE=qv0B
解得E=Bv0
因帶電粒子帶正電，知電場強度的方向豎直向下
（2）此時，帶電粒子的運動軌跡如圖甲所示，
根據(jù)幾何關系得R2=a2+(R-a/2)2
解得R=5a/4
由牛頓第二定律得qv0B=mv02/R
解得v0=5aqB/4m
（3）由題意可畫出帶電粒子的運動軌跡如圖乙所示，可得帶電粒子在兩磁場中的軌道半徑均為r=a/2
帶電粒子在正方形區(qū)域內(nèi)的運動時間t1=T/4
在正方形區(qū)域外的運動時間t2=3T/4
由qvB=4 m2r/T2，可得T=2m/qB
故帶電粒子從M點到達N點所用時間的最小值t=t1+t2=2m/qB ,
畫出帶電粒子從N點繼續(xù)運動的軌跡如圖丙所示，知帶電粒子可以回到M點，由對稱性，回到M點的時間為t’=2T=4m/qB

考點：本題考查帶電粒子在勻強磁場中的運動。

練習冊系列答案
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（14分）1932年美國物理學家勞倫斯發(fā)明了回旋加速器，巧妙地利用帶電粒子在磁場中的運動特點，解決了粒子的加速問題。現(xiàn)在回旋加速器被廣泛應用于科學研究和醫(yī)學設備中。某型號的回旋加速器的工作原理如圖（甲）所示，圖（乙）為俯視圖�；匦铀倨鞯暮诵牟糠譃閮蓚�D形盒，分別為D1、D2。D形盒裝在真空容器里，整個裝置放在巨大的電磁鐵兩極之間的強大磁場中，磁場可以認為是勻強磁場，且與D形盒底面垂直。兩盒間的狹縫很小，帶電粒子穿過的時間可以忽略不計。D形盒的半徑為R，磁場的磁感應強度為B。設質(zhì)子從粒子源A處進入加速電場的初速度不計。質(zhì)子質(zhì)量為m、電荷量為+q。加速器接入一定頻率的高頻交變電源，加速電壓為U。加速過程中不考慮相對論效應和重力作用。
 
（1）求質(zhì)子第1次經(jīng)過狹縫被加速后進人D2盒時的速度大小v1；
（2）求質(zhì)子第1次經(jīng)過狹縫被加速后進人D2盒后運動的軌道半徑r1；
（3）求質(zhì)子從靜止開始加速到出口處所需的時間t。

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（10分）水平放置的平行金屬板M N之間存在豎直向上的勻強電場和垂直于紙面的交變磁場（如圖a所示，垂直紙面向里為正），磁感應強度=50T，已知兩板間距離d=0.3m，電場強度E=50V/m，M板中心上有一小孔P，在P正上方h=5cm處的O點，一帶電油滴自由下落，穿過小孔后進入兩板間，若油滴在t=0時刻進入兩板間，最后恰好從N板邊緣水平飛出。已知油滴的質(zhì)量 m=10kg，電荷量q=+2×10C（不計空氣阻力。重力加速度取g=10m/s2，取π=3）求：


（1）油滴在P點的速度；
（2）N板的長度；
（3）交變磁場的變化周期。

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（10分）磁譜儀是測量粒子能量（即動能）的重要儀器。磁譜儀的工作原理如圖所示，放射源Ｓ發(fā)出質(zhì)量為m、電量為q的粒子沿垂直磁場方向進入磁感應強度為Ｂ的勻強磁場，被限束光欄Ｑ限制在的小角度內(nèi)，入射的粒子經(jīng)磁場偏轉(zhuǎn)后打到與束光欄平行的感光片Ｐ上，形成寬度為Δx的光帶。試求入射粒子的能量。（重力影響不計）

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在電場方向水平向右的勻強電場中，一帶電小球從A點豎直向上拋出，其運動的軌跡如圖所示，小球運動的軌跡上A、B兩點在同一水平線上，M為軌跡的最高點.小球拋出時的動能為8.0  J，在M點的動能為6.0  J，不計空氣的阻力。求：

（1）小球水平位移x1與x2的比值。
（2）小球落到B點時的動能EkB。
（3）小球所受電場力與重力的大小之比。

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有一種“雙聚焦分析器”質(zhì)譜儀，工作原理如圖所示。加速電場的電壓為U，靜電分析器中有輻向會聚電場，即與圓心O1等距各點的電場強度大小相同，方向沿徑向指向圓心O1；磁分析器中以O2為圓心、圓心角為90°的扇形區(qū)域內(nèi)，分布著方向垂直于紙面向外的勻強磁場，其左邊界與靜電分析器的右邊界平行．由離子源發(fā)出一個質(zhì)量為m、電荷量為q的正離子（初速度為零，重力不計），經(jīng)加速電場加速后，從M點沿垂直于該點的電場方向進入靜電分析器，在靜電分析器中，離子沿半徑為R的四分之一圓弧軌道做勻速圓周運動，并從N點射出靜電分析器．而后離子由P點沿著既垂直于磁分析器的左邊界，又垂直于磁場方向射入磁分析器中，最后離子沿垂直于磁分析器下邊界的方向從Q點射出，并進入收集器．測量出Q點與圓心O2的距離為d，位于Q點正下方的收集器入口離Q點的距離為d/2．（題中的U、m、q、R、d都為已知量）

（1）求靜電分析器中離子運動軌跡處電場強度E的大��；
（2）求磁分析器中磁感應強度B的大��；
（3）現(xiàn)將離子換成質(zhì)量為4m ,電荷量仍為q的另一種正離子，其它條件不變．磁分析器空間足夠大，離子不會從圓弧邊界射出，收集器的位置可以沿水平方向左右移動，要使此時射出磁分析器的離子仍能進入收集器，求收集器水平移動的距離．

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（1）粒子在M點的速度v′；
（2）C點與O點的距離xc；
（3）勻強電場的電場強度E與勻強磁場的磁感應強度B的比值。

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