Question

【題目】如圖甲所示，兩平行金屬板間接有如圖乙所示的隨時(shí)間t變化的交流電壓u，金屬板間電場(chǎng)可看做均勻、且兩板外無(wú)電場(chǎng)，板長(zhǎng)L=0．2m，板間距離d=0．1m，在金屬板右側(cè)有一邊界為MN的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，MN與兩板中線(xiàn)OO′ 垂直，磁感應(yīng)強(qiáng)度 B=5×10－3T，方向垂直紙面向里。現(xiàn)有帶正電的粒子流沿兩板中線(xiàn)OO′連續(xù)射入電場(chǎng)中，已知每個(gè)粒子的比荷=108C/kg，重力忽略不計(jì)，在0-0．8×10－5s時(shí)間內(nèi)兩板間加上如圖乙所示的電壓（不考慮極板邊緣的影響）。已知t = 0時(shí)刻進(jìn)入兩板間的帶電粒子恰好在0．2×10－5s時(shí)刻經(jīng)極板邊緣射入磁場(chǎng)。（不考慮粒子間相互影響及返回板間的情況）。

（1）求兩板間的電壓U0

（2）0-0．2×10－5s時(shí)間內(nèi)射入兩板間的帶電粒子都能夠從磁場(chǎng)右邊界射出，求磁場(chǎng)的最大寬度

（3）若以MN與兩板中線(xiàn)OO′ 垂直的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向右為x軸，豎直向上為y軸建立二維坐標(biāo)系，請(qǐng)寫(xiě)出在0．3×10－5s時(shí)刻射入兩板間的帶電粒子進(jìn)入磁場(chǎng)和離開(kāi)磁場(chǎng)（此時(shí)，磁場(chǎng)只有左邊界，沒(méi)有右邊界）時(shí)的位置坐標(biāo)。

（4）兩板間電壓為0，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一種方案：讓向右連續(xù)發(fā)射的粒子流沿兩板中線(xiàn)OO′射入，經(jīng)過(guò)右邊的待設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)區(qū)域后，帶電粒子又返回粒子源。

Answer 1

【答案】（1）25 （V）（2）0．2 （m）（3）（ 0 ; 0．3875）（m）（4）如圖；

【解析】

試題分析：（1）電荷在電場(chǎng)中作類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)

d/2=at2/2

a=d/ t2=2．5×1010 m/s2

Eq=ma

E=ma/q=2．5×1010/108 =250 （V/m）

U0=Ed=250×0．1=25 （V）

（2） 在0---0．2×10-5S時(shí)間內(nèi), 0．2×10-5S時(shí)刻射入兩板間的帶電粒子進(jìn)入磁場(chǎng)并能夠從磁場(chǎng)右邊界射出,則其他粒子也都能從磁場(chǎng)的右邊界射出。粒子進(jìn)入磁場(chǎng)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，則：

Bqv=mv2/R1 R1=mv0/Bq

由第一問(wèn)可知：v0=L/t=0．2/0．2×10-5 =105 （m/s）

R1=105/5×10-3×108=0．2 （m）

磁場(chǎng)的最大寬度為 D=R1=0．2 （m）

（3） 0．3×10-5S時(shí)刻進(jìn)入的粒子先做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),再做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)．類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)間應(yīng)為t=0．1×10-5S ．

若向上偏轉(zhuǎn),根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)公式得: y1=at2=2．5×1010×（0．1×10-5）2/2=0．0125 （m）

進(jìn)入坐標(biāo)為 （ 0 ; 0．0125 ）（m）

進(jìn)入磁場(chǎng)作勻速圓周運(yùn)動(dòng), R2=mv/Bq

離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)的坐標(biāo) y2=y1+2R2cosθ=y1+2 mv0/Bq

y2=0．0125+2×105/5×10-3×108=0．4125 （m）

離開(kāi)磁場(chǎng)左邊界坐標(biāo)為 （ 0 ; 0．4125 ）（m）

若向下偏轉(zhuǎn),根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)公式得: y1=at2=2．5×1010×（0．1×10-5）2/2=0．0125 （m）

進(jìn)入坐標(biāo)為 （ 0 ; - 0．0125 ）（m）

進(jìn)入磁場(chǎng)作勻速圓周運(yùn)動(dòng), R2=mv/Bq

離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)的坐標(biāo) y2= 2R2cosθ- y1= 2 mv0/Bq- y1

y2=2×105/5×10-3×108-0．0125=0．3875（m）

離開(kāi)磁場(chǎng)左邊界坐標(biāo)為 （ 0 ; 0．3875）（m）

（4）（只要合理均給分）