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(20分)如题图所示,在半径为a的圆柱空间中(图中圆为其横截面)充满磁感应强度大小为B的均匀磁场,其方向平行于轴线远离读者.在圆柱空间中垂直轴线平面内固定放置一绝缘材料制

网友投稿  2023-04-06 00:00:00  互联网

◎ 题目

(20分)如题图所示,在半径为a的圆柱空间中(图中圆为其横截面)充满磁感应强度大小为B的均匀磁场,其方向平行于轴线远离读者.在圆柱空间中垂直轴线平面内固定放置一绝缘材料制成的边长为L=1.6a的刚性等边三角形框架ΔDEF,其中心O位于圆柱的轴线上.DE边上S点()处有一发射带电粒子的源,发射粒子的方向皆在图题图中截面内且垂直于DE边向下。发射粒子的电量皆为q(>0),质量皆为m,但速度v有各种不同的数值。若这些粒子与三角形框架的碰撞无能量损失,电量也无变化,且每一次碰撞时速度方向均垂直于被碰的边。试问:

(1)带电粒子经多长时间第一次与DE边相碰?
(2)带电粒子速度v的大小取哪些数值时可使S点发出的粒子最终又回到S点?
(3)这些粒子中,回到S点所用的最短时间是多少?

◎ 答案


(1) 
(2)            
(3)                                

◎ 解析

解:

(1)带电粒子(以下简称粒子)从S点垂直于DE边以速度v射出后,在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动
 (1分) 得        ①(1分)
粒子在磁场中做圆周运动的周期为:  (1分)
将①式代入,得:                ②(1分)
粒子第一次与DE边相碰:        (2分)
(2)带电粒子(以下简称粒子)从S点垂直于DE边以速度v射出后,在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,其圆心一定位于DE边上,粒子每次与ΔDEF的三条边碰撞时都与边垂直,且能回到S点,如题解图所示,粒子运动轨迹圆的圆心一定位于Δ的边上,粒子绕过Δ顶点D、E、F时的圆弧的圆心就一定要在相邻边的交点(即D、E、F)上。的长度应是Rn的奇数倍即:
 (=1,2,3,…)                  ③(2分)
此时为Rn的奇数倍的条件自然满足。
而粒子要能绕过顶点与Δ的边相碰,则粒子作圆周运动的半径R不能太大,如图题解图,
必须有:                   ④(2分)
由图中的几何关系计算可知:
         ⑤(1分)
1,2,3,…,分别代入③式,得
            

           

由于R1,R2,这些粒子在绕过Δ的顶点E时,将从磁场边界逸出,只有n≥4的粒子能经多次碰撞绕过E、F、D点,最终回到S点.由此结论及①、③两式可得与之相应的速度:
                      ⑥(4分)
(3)由②可知,在B及q/m给定时Tv无关。粒子从S点出发最后回到S点的过程中,与Δ的边碰撞次数愈少,所经历的时间就愈少,所以应取n=4,如题解图所示(图中只画出在边框DE的碰撞情况),此时粒子的速度为v4,由图可看出该粒子的轨迹包括3×13个半圆和3个圆心角为300°的圆弧,所需时间为:  ⑦(3分)
以②式代入得:                                           ⑧(2分)

◎ 知识点

    专家分析,试题“(20分)如题图所示,在半径为a的圆柱空间中(图中圆为其横截面)充满磁感应强度大小为B的均匀磁场,其方向平行于轴线远离读者.在圆柱空间中垂直轴线平面内固定放置一绝缘材料制…”主要考查了你对  【带电粒子在匀强磁场中的运动】  等知识点的理解和应用能力。关于这些知识点的“档案”,你可以点击相应的链接进行查看和学习。



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