如图所示,真空室内存在宽度为d=8cm的匀强磁场区域,磁感应强度B=0.332T,磁场方向垂直于纸面向里;ab、cd足够长,cd为厚度不计的金箔,金箔右侧有一匀强电场区域,电场强度E=3.32×105N/C;方向与金箔成37°角.紧挨边界ab放一点状α粒子放射源S,可沿纸面向各个方向均匀放射初速率相同的α粒子,已知:α粒子的质量m=6.64×10-27kg,电荷量q=3.2×10-19C,初速度v=3.2×106m/s.(sin37°=0.6,cos37°=0.8)求:
(1)α粒子在磁场中作圆周运动的轨道半径R;
(2)金箔cd被α粒子射中区域的长度L;
(3)设打在金箔上d端离cd中心最远的α粒子穿出金箔进入电场,若穿出金箔时速度方向与射入金箔时速度方向相同,在电场中运动通过N点,SN⊥ab且SN=40cm,则此α粒子从金箔上穿出时,损失的动能△EK为多少?
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(1)α粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,即
qαvB=mαv2 R
则
R=
=0.2m=20cmmαv Bqα
即α粒子在磁场中作圆周运动的轨道半径R为20cm.
(2)设cd中心为O,向c端偏转的α粒子,当圆周轨迹与cd相切时偏离O最远,设切点为P,对应圆心O1,如图所示
则由几何关系得:
=. OP
=. SA
=16cmR2-(R-d)2
向d端偏转的α粒子,当沿sb方向射入时,偏离O最远,设此时圆周轨迹与cd交于Q点,对应圆心O2,如图所示,则由几何关系得:
=. OQ
=16cmR2+(R-d)2
故金箔cd被α粒子射中区域的长度 L=
=. PQ
+. OP
=32cm.. OQ
(3)设从Q点穿出的α粒子的速度为v′,因半径O2Q∥场强E,则v′⊥E,故穿出的α粒子在电场中做类平抛运动,轨迹如图所示.
沿速度v′方向做匀速直线运动,位移 Sx=(
-R)sin53°=16m. SN
沿场强E方向做匀加速直线运动,位移 Sy=(
-R)cos53°+R=32cm. SN
则由Sx=v′t Sy=
at2 a=1 2 qαE mα
得:v′=8.0×105m/s
故此α粒子从金箔上穿出时,损失的动能为
△Ek=
mαv2-1 2
mαv′2=3.19×10-14J1 2
即此α粒子从金箔上穿出时,损失的动能△EK为3.19×10-14J.