Question

如圖所示，在直角坐標(biāo)xOy平面y軸左側(cè)（含y軸）有一沿y軸負(fù)向的勻強(qiáng)電場，一質(zhì)量為m，電量為q的帶正電粒子從x軸上P處以速度v₀沿x軸正向進(jìn)入電場，從y軸上Q點(diǎn)離開電場時速度方向與y軸負(fù)向夾角θ=30°，Q點(diǎn)坐標(biāo)為（0，-d），在y軸右側(cè)有一與坐標(biāo)平面垂直的有界勻強(qiáng)磁場區(qū)域（圖中未畫出），磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=

mv0

qd

，粒子能從坐標(biāo)原點(diǎn)O沿x軸負(fù)向再進(jìn)入電場．不計(jì)粒子重力，求：
（1）電場強(qiáng)度大小E；
（2）如果有界勻強(qiáng)磁場區(qū)域?yàn)榘雸A形，求磁場區(qū)域的最小面積；
（3）粒子從P點(diǎn)運(yùn)動到O點(diǎn)的總時間．

Answer 1

（1）設(shè)粒子從Q點(diǎn)離開電場時速度大小為v，由粒子在勻強(qiáng)電場中做類平拋運(yùn)動得：
v=2v₀
由動能定理得：qEd=

1

2

mv2-

1

2

m

v

20

解得：E=

3m v 20

2qd

（2）設(shè)粒子從N點(diǎn)進(jìn)入、N點(diǎn)離開半圓形勻強(qiáng)磁場區(qū)域粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動半徑為r，圓心為O₁，如圖所示
由qvB=

mv2

r

解得：r=

mv

qB

=2d
若半圓形磁場區(qū)域的面積最小，則半圓形磁場區(qū)域的圓心為O₂，
可得半徑R=1.5r=2d
半圓形磁場區(qū)域的最小面積S=

1

2

πR2=

9

2

πd2=4.5πd²
（3）設(shè)粒子在勻強(qiáng)電場中運(yùn)動時間為t₁，粒子從Q點(diǎn)離開電場時沿y軸負(fù)向速度大小為v_y，
有v_y=

3

v0，t₁=

2d

vy

解得：t₁=

2 3 d

3v0

設(shè)粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動時間為t₂，有t₂=

4πr

3v

=

4πd

3v0

粒子在QM、NO間做勻速直線運(yùn)動時間分別為t₃、t₄，
由幾何關(guān)系可得QM距離

.

QM

=

4 3 d

3

，得：t₃=

. QM

v

=

2 3 d

3v0

NO間距離

.

NO

=

5 3 d

3

得：t₄=

. NO

v

=

5 3 d

6v0

粒子從P點(diǎn)運(yùn)動到O點(diǎn)的總時間為：
t=t₁+t₂+t₃+t₄=

2 3 d

3v0

+

4πd

3v0

+

2 3 d

3v0

+

5 3 d

6v0

=

(13 3 +8π)d

6v0

答：
（1）電場強(qiáng)度大小E為

3m v 20

2qd

；
（2）如果有界勻強(qiáng)磁場區(qū)域?yàn)榘雸A形，磁場區(qū)域的最小面積為4.5πd²；
（3）粒子從P點(diǎn)運(yùn)動到O點(diǎn)的總時間為

(13 3 +8π)d

6v0

．