试题难度:难度:中档 试题类型:问答题 试题内容:如图,在x轴下方有匀强磁场,磁感应强度大小为B,方向垂直于x y平面向外.P是y轴上距原点为h的一点,N0为x轴上距原点为a的一点.A是一块平行于x轴的挡板,与x轴的距离为h2,A的中点在y轴上,长度略小于a2.带电粒子与挡板碰撞前后,x方向的分速度不变,y方向的分速度反向、大小不变.质量为m,电荷量为q(q>0)的粒子从P点瞄准N0点入射,最后又通过P点.不计重力.
(1)若粒子从P点射出的速率为v,求粒子在磁场中运动的轨道半径R;
(2)求粒子从N0点射入磁场到第一次穿出磁场所经历的时间.(可用反三角函数表示)
(3)求粒子入射速度的所有可能值.

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试题答案:(1)当粒子的入射速度为v时,粒子在磁场中运动的轨道半径为R, 由qvB=mv2R ① 得轨道半径R=mvqB② (2)如图所示,第一次射出磁场的点为N′,粒子与A板碰撞后再次进入磁场的位置为N1. sinθ=POPN0=ha2+h2③ 粒子作匀速圆圆运动的周期为T=2πRv=2πmqB④ 则粒子从N0点射入磁场到第一次穿出磁场所经历的时间为 t=2π-2θ2πT=π-θπ•2πmqB=2mqB(π-arcsinha2+h2)⑤ (3)粒子与A板碰撞后再次进入磁场的位置为N1.粒子速率不变,每次进入磁场与射出磁场位置间距离x1保持不变,有 x1=N0′N0=2Rsinθ⑥ 粒子射出磁场与下一次进入磁场位置间的距离x2始终不变,与N0′N1相等. 由图可以看出:x2=a⑦ 设粒子最终离开磁场时,与档板相碰n次(n=0、1、2、3…).若粒子能回到P点,由对称性, 出射点的x坐标应为-a, 即(n+1)x1-nx2=2a ⑧由⑦⑧两式得x1=n+2n+1a ⑨若粒子与挡板发生碰撞,有x1-x2>a4⑩联立⑦⑨⑩得 n<3 联立②⑥⑨得v=qB2msinθ•n+2n+1a把sinθ=ha2+h2代入上式中得当n=0,v0=qBaa2+h2mh当n=1,v1=3qBaa2+h24mh 当n=2,v2=2qBaa2+h23mh答:(1)粒子在磁场中运动的轨道半径R=mvqB. (2)粒子从N0点射入磁场到第一次穿出磁场所经历的时间为2mqB(π-arcsinha2+h2). (3)粒子入射速度的可能值为qBaa2+h2mh,3qBaa2+h24mh,2qBaa2+h23mh.