如图甲所示,在真空中,有一边长为a的正方形区域内存在匀强磁场,磁场方向垂直纸面向外.在磁场右侧有一对平行金属板M和N,两板间距及板长均为b,板间的中心线O1O2与正方形的

◎ 题目

如图甲所示,在真空中,有一边长为a的正方形区域内存在匀强磁场,磁场方向垂直纸面向外.在磁场右侧有一对平行金属板M和N,两板间距及板长均为b,板间的中心线O1O2与正方形的中心O在同一直线上.有一电荷量为q、质量为m的带正电的粒子以速度v0从正方形的底边中点P沿PO方向进入磁场,从正方形右侧O1点水平飞出磁场时,立即给M、N两板加上如图乙所示的交变电压,最后粒子刚好以平行于M板的速度从M板的边缘飞出.(不计粒子所受到的重力、两板正对面之间为匀强电场,边缘电场不计) 
(1)求磁场的磁感应强度B.
(2)求交变电压的周期T和电压U0的表达式(用题目中的已知量).
(3)若在M、N两板加上如图乙所示的交变电压经过T/4后,该粒子刚好从O1点水平飞入M、N两板间,最终从O2点水平射出,且粒子在板间运动时间正好等于T,求粒子在两板间运动过程中,离M板的最小距离.
魔方格

◎ 答案


(1)粒子自a点进入磁场,从O1点水平飞出磁场,则其运动的轨道半径为
a
2

由牛顿第二定律,则有:qv0B=m 
2υ02
a

解得:B=
2mυ0
qa
.   
(2)粒子自O1点进入电场后恰好从M板的边缘平行极板飞出,设运动时间为t,
根据类平抛运动规律有:
b=v0t
b
2
=2n?
U0q
2mb
T
2
2
又t=nT (n=1,2,3…)  
解得:T=
b
nυ0
(n=1,2,3…)     
U0=
2nmυ02
q
(n=1,2,3…).    
(3)当MN板加上电压后
3T
4
时,粒子距离M板最近.  
d=
b
2
-2×
1
2
U0q
mb
(
b
4υ0
)2
=
b
2
-
U0qb
16m
υ20

答:(1)求磁场的磁感应强度B=
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