Question

【題目】如圖甲所示，平面OO′垂直于紙面，其上方有長為h、相距為h的兩塊平行導體板M、N。兩極板間加上如圖乙所示的電壓，平面OO′的下方是一個與OO′平面平行的勻強磁場，方向垂直紙面向外。在兩極板的正中間的正上方有一粒子源，它連續放射出質量為m、帶電荷量為+q的粒子，其初速度大小為v0，方向垂直電場及OO′平面。不計粒子重力及空氣的阻力，每個粒子在板間運動的極短時間內，可以認為電場強度不變，已知sin37°=0.6，cos37°=0.8。

（1）若要求帶電粒子飛出電場時不打在板上，則板間電壓U的最大值不能超過多少?

（2）若UMN的最大值取第（1）問求出的最大值，要使所有的粒子通過磁場后都能回到兩板間，磁場磁感應強度B的大小及磁場的高度H需滿足什么條件?

（3）在滿足（2）問的前提下，粒子在磁場中運動的最長時間為多少?

Answer 1

【答案】（1）（2） （3）

【解析】

（1）設電壓的最大值為Um，則有

h=v0t

解得：

（2）設粒子進入磁場時速度v與v0的夾角為θ，則有

又

粒子從OO′上射出磁場的位置與射入磁場的位置的距離s=2Rcosθ

解得：

若沿v0方向射進磁場的粒子能回到板間，則其他方向的粒子都能回到板間。當時，B最小，即

解得：

故磁感應強度B應滿足的條件為…

設粒子在MN板間的最大偏轉角為，則

即

粒子進入磁場的速度大小

粒子的軌跡半徑

磁場的最小高度

故磁場的高度H需滿足的條件為

（3）設粒子在磁場中運動對應的最大圓心角為

由幾何知識得

粒子在磁場中運動的時間

解得粒子在磁場中運動的最長時間