Question

【題目】如圖甲所示的矩形區域abcd內存在著如圖乙所示的磁場（包括邊界），規定磁場方向垂直紙面向里為正，其中bc=2ab=2l，e為bc邊界上的一點，且．重力可忽略不計的正粒子從d點沿dc方向以初速度v0射入磁場，已知粒子的比荷為k。求：

(1)如果在0時刻射入磁場的粒子經小于半個周期的時間從邊界上的e點離開，則磁場的磁感應強度B0應為多大？

(2)如果磁場的磁感應強度，欲使在小于半個周期的任意時刻射入磁場的粒子均不能由ad邊離開磁場，則磁場的變化周期T0應滿足什么條件？

(3)如果磁場的磁感應強度，在bc邊的右側加一垂直bc邊向左的勻強電場，0時刻射入磁場的粒子剛好經過T0垂直bc邊離開磁場，經過一段時間又從a點離開磁場區域，則電場強度E以及粒子在電場中的路程x分別為多大？

Answer 1

【答案】(1) (2)

(3);

【解析】試題分析：畫出粒子運動軌跡，根據幾何關系求出半徑，由洛倫茲力提供向心力即可求出磁場的磁感應強度；畫出粒子恰好不從ad邊離開磁場的臨界軌跡，求出運動的時間，當粒子運動時間等于磁場變化半個周期的時間時，恰好與ad邊相切，磁場變化的周期要小于等于臨界周期，才能滿足題設條件；畫出滿足題意的粒子運動軌跡，0時刻射入磁場的粒子剛好經過垂直bc邊離開磁場，則經過粒子旋轉圓周，第二個粒子繼續旋轉圓周，要想粒子能從a點離開，在電場中運動時間至少，考慮周期性，電場中運動時間為（n取整數），由牛頓定律和勻變速直線運動的規律即可求解電場強度E以及粒子在電場中的路程．

（1）由題意作出粒子的運動軌跡，如圖1所示，

在磁場中，洛倫茲力提供向心力，有，由幾何關系，有

解得，由于，解得；

（2）由可知，粒子運動的半徑為，臨界情況為粒子從t=0時刻射入，并且軌跡恰好與ad邊相切，如圖2所示

圓周運動的周期為；

由幾何關系可知，內，粒子轉過的圓心角為；

對應運動時間為，應滿足，聯立可得：
（3）根據題意畫出粒子的運動軌跡如圖3所示

由題意有：，得，在電場中有

往返一次用時為；

應有，可得，（n=0，1，2…）；

運動的路程為：，（n=0，1，2，3…）