如图所示的直角坐标系第I、II象限内存在方向向里的匀强磁场,磁感应强度大小B=0.5T,处于坐标原点O的放射源不断地放射出比荷qm=4×106C/kg的正离子,不计离子之间的相互作用

◎ 题目

如图所示的直角坐标系第 I、I I象限内存在方向向里的匀强磁场,磁感应强度大小B=0.5T,处于坐标原点O的放射源不断地放射出比荷
q
m
=4×106
C/kg的正离子,不计离子之间的相互作用.
(1)求离子在匀强磁场中运动周期;
(2)若某时刻一群离子自原点O以不同速率沿x轴正方向射出,求经过
π
6
×10-6
s时间这些离子所在位置构成的曲线方程;
(3)若离子自原点O以相同的速率v0=2.0×106m/s沿不同方向射入第 I象限,要求这些离子穿过磁场区域后都能平行于y轴并指向y轴正方向运动,则题目中的匀强磁场区域应怎样调整(画图说明即可)?并求出调整后磁场区域的最小面积.
魔方格

◎ 答案


(1)洛伦兹力提供向心力,根据牛顿第二定律  有 qvB=
mv2
R

运动周期T=
2πR
v
=
2πm
qB
=π×10-6
s
(2)离子运动时间t=
π
6
×10-6s=
1
6
T

根据左手定则,离子沿逆时针方向作半径不同的圆周运动,
转过的角度均为θ=
1
6
×2π=
π
3
      
这些离子所在位置均在过坐标原点的同一条直线上,
该直线方程y=xtan
θ
2
=

3
3
x

(3)离子自原点O以相同的速率v0沿不同方向射入第一象限磁场,均做逆时针方向的匀速圆周运动
根据牛顿第二定律  有qv0B=
mv20
R
   

魔方格

得:R=
mv0
qB
=1m 
这些离子的轨道圆心均在第二象限的四分之一圆弧AC上,欲使离子穿过磁场区域后都能平行于y轴并指向y轴正方向运动,离开磁场时的位置在以点(1,0)为圆心、半径R=1m的四分之一圆弧(从原点O起顺时针转动90°)上,磁场区域为两个四分之一圆的交集,如图所示调整后磁场区域的最小面积Smin=2×(
πR2
4
-
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