如图所示,以O为原点建立平面直角坐标系Oxy,沿y轴放置一平面荧光屏,在y>0,0<x<0.5m的区域有垂直于纸面向里的匀强磁场,磁场的磁感应强度大小B=0.5T.在原点O放一个开有小

◎ 题目

如图所示,以O为原点建立平面直角坐标系Oxy,沿y轴放置一平面荧光屏,在y>0,0<x<0.5m的区域有垂直于纸面向里的匀强磁场,磁场的磁感应强度大小B=0.5T.在原点O放一个开有小孔粒子源,粒子源能同时放出比荷为q/m=4.0×106kg/C的不同速率的正离子束,沿与x轴成30°角从小孔射入磁场,最后打在荧光屏上,使荧光屏发亮.入射正离子束的速率在0到最大值vm=2.0×106m/s的范围内,不计离子之间的相互作用,也不计离子的重力.
(1)求离子打到荧光屏上的范围.
(2)若在某时刻(设为t=0时刻)沿与x轴成30°角方向射入各种速率的正离子,求经过
3
×10-7
s时这些离子所在位置构成的曲线方程.
(3)实际上,从O点射入的正离子束有一定的宽度,设正离子将在与x轴成30°~60°角内进入磁场.则某时刻(设为t=0时刻)在这一宽度内向各个方向射入各种速率的离子,求经过
3
×10-7
s时这些离子可能出现的区域面积.
魔方格

◎ 答案

(1)由qvB=
mv2
r
得,r=
mv
qB
rm=
mvm
qB
=1m

魔方格

魔方格

离子在磁场中运动最大轨道半径:rm=1m
由几何关系知,最大速度的离子刚好沿磁场边缘打在荧光屏上,如左图所示.
所以OA1长度为:y=2rcos300=

3
m
即离子打到荧光屏上的范围为:[0,

3
m]

(2)离子在磁场中运动的周期为:T=
2πm
qB
=π×10-6s

由题,经过时间:t=
3
×10-7
s,则
离子转过的圆心角为  φ=
T
t=
π
3

3
×10-7
s这个时刻某离子的位置坐标为(x,y),则有
   y=rcos30°
   x=r-rsin30°
所以解得:y=

3
x
就是所求的曲线方程.
(3)由几何关系知,与x轴成60°方向入射的离子,经过时间:t=
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