两平面荧光屏互相垂直放置,在两屏内分别取垂直于两屏交线的直线为x轴和y轴,交点O为原点,如图所示,在y>0,0<x

◎ 题目

两平面荧光屏互相垂直放置,在两屏内分别取垂直于两屏交线的直线为x轴和y轴,交点O为原点,如图所示,在y>0,0<x<a的区域有垂直于纸面向里的匀强磁场,在y>0,x>a的区域有垂直于纸面向外的匀强磁场,两区域内的磁感应强度大小均为B。在O点有一处小孔,一束质量为m、带电量为q(q>0)的粒子沿x轴经小孔射入磁场,最后打在竖直和水平荧光屏上,使荧光屏发亮,入射粒子的速度可取从零到某一最大值之间的各种数值。已知速度最大的粒子在0<x<a的区域中运动的时间与在x>a的区域中运动的时间之比为2:5,在磁场中运动的总时间为,其中T为该粒子在磁感应强度为B的匀强磁场中作圆周运动的周期。试求两个荧光屏上亮线的范围(不计重力的影响)。

◎ 答案


半圆的直径在y轴上,半径的范围从0到a,屏上发亮的范围从0到2a。水平荧光屏发亮范围的右边界的坐标

◎ 解析


粒子在磁感应强度为B的匀强磁场中运动的半径为    ①
速度小的粒子将在x<a的区域走完半圆,射到竖直屏上。半圆的直径在y轴上,半径的范围从0到a,屏上发亮的范围从0到2a。
轨道半径大于a的粒子开始进入右测磁场,考虑r=a的极限情况,这种粒子在右侧的圆轨迹与x轴在D点相切(虚线),OD=2a,这是水平屏上发亮范围的左边界。
速度最大的粒子的轨迹如图中实线所示,它由两段圆弧组成,圆心分别为C和C’,C在y轴上,由对称性可知C’在x=2a直线上。
t1为粒子在0<x<a的区域中运动的时间,t2为在x>a的区域中运动的时间,由题意可知:
                         
由此解得 ②                  
由②、③式和对称性可得∠OCM="60°           " ④       ∠MCN="60°          " ⑤
∠MCP=3600="150°     " ⑥所以∠NCP=1500-600=900               
为1/4圆周。因此,圆心C’在x轴上。
设速度为最大值粒子的轨道半径为R,由直角△COC’可得
2Rsin60°="2a                                "        ⑧
由图可知OP=2a+R,因此水平荧光屏发亮范围的右边界的坐标
       ⑨

◎ 知识点

    专家分析,试题“两平面荧光屏互相垂直放置,在两屏内分别取垂直于两屏交线的直线为x轴和y轴,交点O为原点,如图所示,在y>0,0<x<a的区域有垂直于纸面向里的匀强磁场,在y>…”主要考查了你对  【带电粒子在匀强磁场中的运动】  等知识点的理解和应用能力。关于这些知识点的“档案”,你可以点击相应的链接进行查看和学习。

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