Question

（2011?自貢模擬）如圖所示，半徑為r圓心為0的虛線所圍的圓形區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)右側(cè)有一豎直放置的平行金屬板M和N，兩板間距離為在MN板中央各有一個(gè)小孔0₂、O₃，O₁，O₂，O₃在同一水平直線上，與平行金屬板相接的是兩條豎直放置間距為L(zhǎng)的足夠長(zhǎng)的光滑金屬導(dǎo)軌，導(dǎo)體棒PQ與導(dǎo)軌接觸良好，與阻值為R的電阻形成閉合回路．（導(dǎo)軌與導(dǎo)體棒的電阻不計(jì)），該回路處在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，整個(gè)裝置處在真空室中，有一束電荷量為+q、質(zhì)量為m的粒子流（重力不計(jì)），以速率V₀從圓形磁場(chǎng)邊界上的最低點(diǎn)E沿半徑方向射入圓形磁場(chǎng)區(qū)域，最后從小孔O₃射出．現(xiàn)釋放導(dǎo)體棒PQ，其下滑h后開始勻速運(yùn)動(dòng)，此后粒子恰好不能從O₃射出，而是從圓形磁場(chǎng)的最高點(diǎn)F射出．求：
（1）圓形磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B′．
（2）導(dǎo)體棒的質(zhì)量M．
（3）棒下落h的整個(gè)過程中，電阻上產(chǎn)生的電熱．
（4）粒子從E點(diǎn)到F點(diǎn)所用的時(shí)間．

Answer 1

分析：（1）粒子從E射入圓形磁場(chǎng)區(qū)域，從小孔O₃射出，在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由幾何知識(shí)求出半徑，再由牛頓定律求出B．
（2）粒子恰好不能從O₃射出時(shí)，到達(dá)O₃速度為零．根據(jù)動(dòng)能定理求出此時(shí)板間電壓，由平衡條件求出質(zhì)量M．
（3）能量守恒定律求得電阻上產(chǎn)生的電熱．
（4）根據(jù)軌跡，逐段求出時(shí)間，再求總時(shí)間．

解答：解：（1）粒子由E到O₂過程中作半徑為r的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則：
           qvB=m

v 2 0

r

            
          解得B=

mv0

qr

                              
    （2）設(shè)PQ棒勻速下滑時(shí)棒的速度為v，此時(shí)MN板間的電壓為U，由題意有：
            

1

2

m

v

2 0

=qU               
            解得U=

m v 2 0

2q

   
          由力平衡得    Mg=B

U

R

L                    
          解得M=

BLm

2gqR

v

2 0

                           
    （3）U=E=BLv              
         由能量守恒：Mgh=

1

2

Mv²+Q_R                          
        聯(lián)立上述方程解得產(chǎn)生的電熱：QR=

BLmh

2qR

v

2 0

-

m3 v 6 0

16gBLRq

           
    （4）粒子在圓形磁場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t₁：t₁=2?

T

4

=2?

2πm

qB

=

πr

v0

      粒子在電場(chǎng)中往返運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t₂：由 L=

v0

2

?

t2

2

   得 t2=

4L

v0

          
       故粒子從E點(diǎn)到F點(diǎn)所用的時(shí)間：t=t₁+t₂=

πr+4L

v0

點(diǎn)評(píng)：本題是粒子在磁場(chǎng)中勻速圓周運(yùn)動(dòng)和電磁感應(yīng)的綜合．磁場(chǎng)中圓周運(yùn)動(dòng)常用方法是畫軌跡，由幾何知識(shí)求半徑．