问题 问答题

如图,在0≤x≤d的空间,存在垂直xOy平面的匀强磁场,方向垂直xOy平面向里.y轴上P点有一小孔,可以向y轴右侧垂直于磁场方向不断发射速率均为v、与y轴所成夹角θ可在0~1800范围内变化的带负电的粒子.已知θ=45°时,粒子恰好从磁场右边界与P点等高的Q点射出磁场,不计重力及粒子间的相互作用.求:

(1)磁场的磁感应强度;

(2)若θ=30°,粒子射出磁场时与磁场边界的夹角(可用三角函数、根式表示);

(3)能够从磁场右边界射出的粒子在磁场中经过的区域的面积(可用根式表示).

答案

(1)当θ=45°时,粒子恰好从磁场右边界与P点等高的Q点射出磁场,

由几何关系可得,d=Rcos45°

解得:R=

2
2
d

粒子仅在洛伦兹力作用下,则有:Bqv=m

v2
R

所以,B=

mv
Rq
=
2
mv
qd

(2)根据半径的大小R=

2
2
d与入射角30°,可画出右图,

△AMd中,∠MdA=60°,AM=R,Ad=

d
sin60°
-R=
4
3
-3
2
6
d,

则三角形正弦定理可得,

Ad
sinα
=
AM
sin60°

设粒子射出磁场时与磁场边界的夹角为β,则有cosβ=sinα=

Ad
AM
sin60°=
2
-
3
2

所以θ=arccos(

2
-
3
2
)

(3)根据不同的入射速度方向,画出两种临界状态:一是沿着正y轴方向入射的轨迹;另一是与磁场右边界相切的轨迹

因此能够从磁场右边界射出的粒子在磁场中经过的区域的面积=图上方的扇形面积+下方菱形面积+右边的三角形面积-下方的扇形面积

=下方菱形面积面积+右边的三角形面积

即有:

2
2
2
2
3
2
+
1
2
×(1-
2
2
)d×(
2
2
3
2
+
2
-1
d)

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