问题 问答题

如图所示,在第一象限区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小B=2.0×10-3T,一带正电荷的粒子A以v=3.5×104m/s的速率从x轴上的P(0.50,0)处以与x轴正方向成某一角度的方向垂直射入磁场,从

y轴上的M(0,0.50)处射出磁场,且运动轨迹的半径是所有可能半径值中的最小值.设粒子A的质量为m、电荷量为q.不计粒子的重力.

(1)求粒子A的比荷

q
m
;(计算结果请保留两位有效数字,下同)

(2)如果粒子A运动过程中的某个时刻,在第一象限内再加一个匀强电场,就可以使其此后沿x轴负方向做匀速直线运动并离开第一象限,求该匀强电场的场强大小和方向,并求出粒子射出磁场处的坐标值;

(3)如果要粒子A按题干要求从M处射出磁场,第一象限内的磁场可以局限在一个最小的矩形区域内,求出这个最小的矩形区域的面积.

答案

(1)该粒子在磁场中运动半径为r,如图甲,依题意MP连线即为该粒子在磁场中做匀速圆周运动的最小直径,由几何关系得:

r=

2
x2P
2
=
2
4
m=0.35m

粒子圆周运动的向心力由洛伦兹力提供,故有:

qvB=m

v2
r

由①②解得

q
m
=
v
Br
=5.0×10-7C/kg

(2)设所加电场的场强大小为E,如图乙所示,当粒子经过Q点时,速度沿x轴负方向,依题意,在此时加一个沿y轴正方向的匀强电场、电场力与洛伦兹力平衡则有:

Eq=qvB

代入数据得:E=70N/C

所加电场的场强方向沿y轴正方向.

由几何关系可知,圆弧MQ所对应的圆心角为45°则射出点A对应y轴截距为:

|OA|=r+

1
2
.
OP
=(
2
4
+
0.5
2
)m=0.60m

所以粒子射出磁场处A点的坐标为(0,0.60)

(3)如图丙,

所求的最小矩形是MM1P1P

该区域面积为:s=2r2,代入r=0.35可得:

s=0.25m2

答:(1)粒子A的比荷

q
m
=5.0×10-7C/kg;

(2)如果粒子A运动过程中的某个时刻,在第一象限内再加一个匀强电场,就可以使其此后沿x轴负方向做匀速直线运动并离开第一象限,求该匀强电场的场强大小和方向,粒子射出磁场处的坐标值(0,0.6);

(3)如果要粒子A按题干要求从M处射出磁场,第一象限内的磁场可以局限在一个最小的矩形区域内,这个最小的矩形区域的面积s=0.25m2

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