Question

兩平面熒光屏互相垂直放置，在兩屏內分別取垂直于兩屏交線的直線為x軸和y軸，交點O為原點，如圖所示，在y>0，0<x<a的區域有垂直于紙面向里的勻強磁場，在y>0，x>a的區域有垂直于紙面向外的勻強磁場，兩區域內的磁感應強度大小均為B。在O點有一處小孔，一束質量為m、帶電量為q（q>0）的粒子沿x軸經小孔射入磁場，最后打在豎直和水平熒光屏上，使熒光屏發亮，入射粒子的速度可取從零到某一最大值之間的各種數值。已知速度最大的粒子在0<x<a的區域中運動的時間與在x>a的區域中運動的時間之比為2：5，在磁場中運動的總時間為，其中T為該粒子在磁感應強度為B的勻強磁場中作圓周運動的周期。試求兩個熒光屏上亮線的范圍（不計重力的影響）。

Answer 1

半圓的直徑在y軸上，半徑的范圍從0到a，屏上發亮的范圍從0到2a。水平熒光屏發亮范圍的右邊界的坐標

解析:

粒子在磁感應強度為B的勻強磁場中運動的半徑為     ①

速度小的粒子將在x<a的區域走完半圓，射到豎直屏上。半圓的直徑在y軸上，半徑的范圍從0到a，屏上發亮的范圍從0到2a。

軌道半徑大于a的粒子開始進入右測磁場，考慮r=a的極限情況，這種粒子在右側的圓軌跡與x軸在D點相切（虛線），OD=2a，這是水平屏上發亮范圍的左邊界。

速度最大的粒子的軌跡如圖中實線所示，它由兩段圓弧組成，圓心分別為C和C’，C在y軸上，由對稱性可知C’在x=2a直線上。

設t₁為粒子在0<x<a的區域中運動的時間，t₂為在x>a的區域中運動的時間，由題意可知：

                         

由此解得  ②                   ③

由②、③式和對稱性可得∠OCM=60°            ④        ∠MC^’N=60°           ⑤

∠MC^‘P=360⁰=150°      ⑥所以 ∠NC^‘P=150⁰－60⁰=90⁰                ⑦

即為1/4圓周。因此，圓心C’在x軸上。

設速度為最大值粒子的軌道半徑為R，由直角△COC’可得

2Rsin60°=2a                                        ⑧

由圖可知OP=2a+R，因此水平熒光屏發亮范圍的右邊界的坐標

        ⑨