如图所示,真空室内竖直条形区域I存在垂直纸面向外的匀强磁场,条形区域Ⅱ(含Ⅰ、Ⅱ区域分界面)存在水平向右的匀强电场,电场强度为E,磁场和电场宽度均为L且足够长,M、N为涂有

◎ 题目

如图所示,真空室内竖直条形区域I存在垂直纸面向外的匀强磁场,条形区域Ⅱ(含Ⅰ、Ⅱ区域分界面)存在水平向右的匀强电场,电场强度为E,磁场和电场宽度均为L且足够长,M、N为涂有荧光物质的竖直板.现有一束带正电的粒子从A处连续不断地射入磁场,入射方向与M板成60°夹角且与纸面平行,粒子束由两部分组成,一部分为速度大小为v的低速粒子,另一部分为速度大小为3v的高速粒子,当I区中磁场较强时,M板出现两个亮斑,缓慢减弱磁场的强度,直至M板亮斑刚刚相继消失为止,此时观察到N板有两个亮斑.已知粒子质量为m,电量为+q,不计粒子重力和相互作用力,求:
(1)M板上的亮斑刚刚相继消失时,I区磁感应强度的大小;
(2)到达N板下方亮斑的粒子在磁场中运动的时间;
(3)N板两个亮斑之间的距离.

◎ 答案

(1)此时低速粒子速度恰好与两场交界相切且与电场方向垂直,在磁场中运动半径为R1
由牛顿第二定律得:qvB=m
v2
R1
,①
由几何知识可得:R1+R1cos60°=L②
由①②解得:B=
3mv
2qL

(2)低速质子在磁场中运动时间t=
R1
3v

因t=
1
3
T
则由②④得t=
4πL
9v

(3)高速质子轨道半径R2=3R1
由几何关系知此时沿电场线方向进入电场,到达N板时与A点竖直高度差
h1=R2(1-sin60°)⑦
低速质子在磁场中偏转距离
h2=R1sin60°⑧
在电场中偏转距离
h3=vt′⑨
在电场中时间t′,L=
1
2
at′2
eE=ma(11)
由②⑥⑦⑧⑨⑩(11)得
亮斑PQ间距h=h1+h2+h3=(2-
2

3
3
)L+v

2mL
qE
(12)
答:(1)此时I区的磁感应强度
3mv
2qE

(2)到达N板下方亮斑的质子在磁场中运动的时间
4πL
9v

(3)N板两个亮斑之间的距离(2-
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