Question

【題目】如圖平面直角坐標系中，x軸上方區域存在垂直于紙面向里的勻強磁場，磁感應強度B=0.2T．原點O處有一粒子源，可在坐標平面內沿各個方向向磁場區發射比荷均為q/m=2.5×105C/kg的帶負電的粒子．在x0=0.64m處垂直于x軸放置一塊足夠長的粒子收集板PQ，當粒子運動到收集板時即被吸收，不計粒子間相互作用和重力的影響，粒子被吸收的過程中收集板始終不帶電．

(1)能被收集的粒子速度至少多大？

(2)設某時刻粒子源沿+y方向射入一系列粒子，速度大小從0到vm=2×104m/s不等，至少經多長時間有粒子到達收集板？求剛有粒子到達收集板時，該系列所有粒子所在位置構成的圖線的方程；

(3)粒子源沿各個方向均勻地向磁場區發射速度大小均為vm=2×104m/s的粒子，會有兩個不同方向入射的粒子在PQ上的同一位置被收集，求PQ上這種位置分布的區域長度，以及落在該區域的粒子占所發出粒子總數的百分比．

Answer 1

【答案】(1) (2) (3)%

【解析】

(1)如圖1，在磁場中

由題意，臨界半徑

聯立可得

(2)速度為vm的粒子軌道半徑為R，則：

解得：

R=0.4m

如圖2，設該粒子擊中A點，∠AO1P=α，有：

解得：

cosα=0.6

α=53°

所有粒子的圓周運動周期均為：

速度為vm的粒子轉過圓心角為

180°-53°=127°

粒子到達收集板的最短時間：

此時這一系列的粒子位于線段OA上，其斜率為

所以圖線方程為

(3)臨界1：如圖3，初速度與+y軸成θ1的粒子軌跡直徑與PQ交于M，這是PQ上離P最遠的亮點。

臨界2：如圖4，初速度與+y軸成θ2的粒子軌跡PQ相切于N，有，同(2)，θ2=α=53°，說明N點與A點重合。

可得：

所求區域長度：

沿與+y軸成θ2=53°方向到+y方向發射的粒子均可以落在該區域，因此：

%=%