问题 计算题

(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)。

答案

(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。

单项选择题
单项选择题