问题 问答题

如图甲所示,真空区域内有一粒子源A,能每隔

T
2
的时间间隔定时地沿AO方向向外发出一个粒子.虚线右侧为一有理想边界的相互正交的匀强电场和匀强磁场区域,离虚线距离为L的位置处有一荧光屏,粒子打到荧光屏上将使荧光屏上出现一个亮点.虚线和荧光屏相互平行,而AO与荧光屏相互垂直.如果某时刻粒子运动到虚线位置开始计时(记为t=0),加上如图乙所示周期性变化的电、磁场,场强大小关系为
E0
=
v0
B
(其中
v0
为粒子到达虚线位置时的速度大小),发现t=
3T
2
等时刻到达虚线位置的粒子在t=2T时刻到达荧光屏上的O点;在t=
T
2
时刻到达虚线位置的粒子打到荧光屏上的P点,且OP之间的距离为
L
2
,试根据以上条件确定,荧光屏上在哪些时刻,在什么位置有粒子到达?

答案

由于t=

3T
2
时刻到达虚线的粒子在=2T时刻到达荧光屏上的O点,而在t=
3T
2
~t=2T期间电场和磁场都为零,粒子沿直线运动到O点,说明粒子的重力不计,故:

(1)t=0时刻进入的粒子受到的电场力和洛伦兹力平衡,故做匀速直线运动,在t=

T
2
时刻到达O点.

(2)t=

T
2
时刻进入的粒子只受电场力作用,做类平抛运动,t=T时刻到达P点,OP=
L
2

(3)t=T时刻进入的粒子只受洛伦兹力作用,则得

x=v0

T
2
=L

L
v0
=
T
2
或v0T=2L

由y=

1
2
E0q
m
•(
T
2
)2=
L
2

m
E0q
=
T2
4L

又由qv0B=m

v20
R
,联立得R=
mv0
qB
=L

粒子在磁场中运动的周期为 T0=

2πm
qB
=πT

设经过

T
2
时间即
3T
2
时刻粒子运动到
F点,设此过程中粒子转过的圆心角为θ,则

θ
=
1
2
T
πT
,则得θ=1rad

以后粒子不受力做匀速直线运动的打到Q点,由QO点间的距离为

yQO=(L-Lcosθ)+(L-Lsinθ)tanθ=(L-Lcos1)+)+(L-Lsin1)tan1;

(4)t=

3T
2
时刻到达虚线位置的粒子做匀速直线运动在t=2T时刻到达荧光屏上的O点;

(5)以后重复,即:t=2kT(k=0,1,2,3,…)时刻到虚线位置的粒子,在t=(2k+

1
2
)T(k=0,1,2,3,…)时刻到达O点;

t=(2k+

1
2
)T(k=0,1,2,3,…)时刻到虚线位置的粒子,在t=(2k+1)T(k=0,1,2,3,…)时刻到达P点;

t=(2k+1)T(k=0,1,2,3,…)时刻到虚线位置的粒子,在t=(2k+1)T+

T
2
+
L-sin1
v0cos1
(k=0,1,2,3,…)时刻到达Q点;

t=(2k+

3
2
)T(k=0,1,2,3,…)时刻到虚线位置的粒子,在t=(2k+2)T(k=0,1,2,3,…)时刻到达O点.

答:

t=2kT(k=0,1,2,3,…)时刻到虚线位置的粒子,在t=(2k+

1
2
)T(k=0,1,2,3,…)时刻到达O点;

t=(2k+

1
2
)T(k=0,1,2,3,…)时刻到虚线位置的粒子,在t=(2k+1)T(k=0,1,2,3,…)时刻到达P点;

t=(2k+1)T(k=0,1,2,3,…)时刻到虚线位置的粒子,在t=(2k+1)T+

T
2
+
L-sin1
v0cos1
(k=0,1,2,3,…)时刻到达Q点;

t=(2k+

3
2
)T(k=0,1,2,3,…)时刻到虚线位置的粒子,在t=(2k+2)T(k=0,1,2,3,…)时刻到达O点.

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