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R
n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)
将
1,2,3,…,分别代入③式,得
由于R
1,R
2,
≥
,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
T与
v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)