如图所示,相距2L的AB、CD两直线间的区域存在着两个大小不同、方向相反的有界匀强电场,其中PT上方的电场E1的场强方向竖直向下,PT下方的电场E0的场强方向竖直向上,在电场左边界AB上宽为L的PQ区域内,连续分布着电量为+q、质量为m的粒子.从某时刻起由Q到P点间的带电粒子,依次以相同的初速度v0沿水平方向垂直射入匀强电场E0中,若从Q点射入的粒子,通过PT上的某点R进入匀强电场E1后从CD边上的M点水平射出,其轨迹如图,若MT两点的距离为
.不计粒子的重力及它们间的相互作用.L 2
试求:
(1)电场强度E0与E1;
(2)有一边长为a、由光滑绝缘壁围成的正方形容器,在其边界正中央开有一小孔S,将其置于CD右侧,若从Q点射入的粒子经AB、CD间的电场从S孔水平射入容器中.欲使粒子在容器中与器壁多次垂直碰撞后仍能从S孔射出(粒子与绝缘壁碰撞时无能量和电量损失),并返回Q点,在容器中现加上一个如图所示的匀强磁场,粒子运动的半径小于a,磁感应强度B的大小还应满足什么条件?
(1)设粒子经PT直线上的点R由E0电场进入E1电场,由Q到R及R到M点的时间分别为t1与t2,到达R时竖直速度为vy,
则:由s=
at21 2
v=at
及牛顿第二定律,F=qE=ma
得:L=
a11 2
=t 21 1 2 qE0 m
①t 21
而
=L 2
a21 2
=t 22 1 2 qE1 m
②t 22
速度关系,vy=
t1=qE0 m
t2③qE1 m
v0(t1+t2)=2L④
上述三式联立解得:E1=2E0,
E0=9m v 20 8qL
即E1=
.9m v 20 4qL
(3)欲使粒子仍能从S孔处射出,粒子的运动轨迹可能是如图甲、乙所示的两种情况
甲S对图甲所示的情形,粒子运动的半径为R1,
则R1=
,n=0、1、2、…a 2(2n+1)
又qv0B1=mv02 R1
解得:B1=
,n=0、1、2、3…2(2n+1)mv0 qa
S乙对图乙所示的情形,粒子运动的半径为R2,则R2=
,k=1、2、…a 4k
又qv0B2=mv02 R2
则有 B2=
,k=1、2、3…4kmv0 qa
综合B1、B2得:B=
,N=1、2、3…2Nmv0 qa
或R=
,N=1、2、…a 2N
又qv0B2=mv02 R2
解得,B2=
,N=1、2、3…2Nmv0 qa
答:(1)电场强度E0=
,E1=9m v 20 8qL
.;9m v 20 4qL
(2)粒子运动的半径小于a,磁感应强度B的大小还应满足的条件B2=
,N=1、2、3…2Nmv0 qa