(18分)如图所示,以两虚线为边界,中间存在平行纸面且与边界垂直的水平电场,宽度为,两侧为相同的匀强磁场,方向垂直纸面向里。一质量为
、带电量
、重力不计的带电粒子,以初速度
垂直边界射入磁场做匀速圆周运动,后进入电场做匀加速运动,然后第二次进入磁场中运动,此后粒子在电场和磁场中交替运动。已知粒子第二次在磁场中运动的半径是第一次的二倍,第三次是第一次的三倍,以此类推。求
(1)粒子第一次经过电场的过程中电场力所做的功。
(2)粒子第次经过电场时电场强度的大小
。
(3)粒子第次经过电场所用的时间
。
(4)假设粒子在磁场中运动时,电场区域场强为零。请画出从粒子第一次射入磁场至第三次离开电场的过程中,电场强度随时间变化的关系图线(不要求写出推导过程,不要求标明坐标刻度值)。
(1)
(2)
(3)
(4)图见解析
(1)设磁场的磁感应强度大小为,例子第
次进入磁场时的半径为
,速度为
,由牛顿第二定律得
①
由①式得
②
因为,所以
③
对于粒子第一次在电场中的运动,由动能定理得
④
联立③④式得
⑤
(2)粒子第次进入电场时速度为
,出电场时速度为
,有
⑥
由动能定理得
⑦
联立⑥⑦式得
⑧
(3)设粒子第n次在电场中运动的加速度为,由牛顿定律的
⑨
由运动学公式得
⑩
联立⑥⑧⑨⑩式得
11
(4)如图所示。
或