Question

如圖所示，三個同心圓是磁場的理想邊界，圓1半徑R₁=R、圓2半徑R₂=3R、圓3半徑R₃（R₃＞R₂）大小未定，圓1內(nèi)部區(qū)域磁感應(yīng)強度為B，圓1與圓2之間的環(huán)形區(qū)域是無場區(qū)，圓2與圓3之間的環(huán)形區(qū)域磁感應(yīng)強度也為B。兩個區(qū)域磁場方向均垂直于紙面向里。t=0時一個質(zhì)量為m，帶電量為+q（q＞0）的離子（不計重力），從圓1上的A點沿半徑方向以速度飛進圓1內(nèi)部磁場。問：

（1）離子經(jīng)多長時間第一次飛出圓1？

（2）離子飛不出環(huán)形磁場圓3邊界，則圓3半徑R₃至少為多大？

（3）在滿足了（2）小題的條件后，離子自A點射出后會在兩個磁場不斷地飛進飛出，從t=0開始到離子第二次回到A點，離子運動的總時間為多少？

（4）在同樣滿足了（2）小題的條件后，若環(huán)形磁場方向為垂直于紙面向外，其它條件不變，從t=0開始到離子第一次回到A點，離子運動的路徑總長為多少？

 

Answer 1

【答案】

（1）   （2）    （3）

【解析】

試題分析：（1）由可得    （2分）

如右圖1，根據(jù)幾何知識：

離子在圓1中運動圓弧對應(yīng)的圓心角為60°

得：   （2分）

（2）依題意離子在環(huán)形磁場軌跡與圓3相切時對應(yīng)的就是半徑最小值，如右圖2：

由于兩磁場的磁感應(yīng)強度相同，有：   （2分）

由圖中幾何關(guān)系得：  （2分）

得：  （2分）

（3）根據(jù)幾何知識：

離子在圓2和圓3之間的運動圓弧對應(yīng)的圓心角為240°

得：（2分）

在原圖中作圖可知如下左圖：

（只畫了重復單程，這樣的單程重復總共需6次）

從t=0開始到離子第二次回到A點，離子在圓1內(nèi)磁場中運動共6次；

離子在環(huán)形磁場中運動共6次；離子在無場區(qū)中直線運動共12次。（2分）

在無場區(qū)離子直線單程的時間 （2分）

總時間 （2分）

（4）在原圖中作圖可知如下右圖：

（只畫了重復單程，這樣的單程重復總共需2次）

從t=0開始到離子第一次回到A點，離子在圓1內(nèi)磁場中運動共2次；

離子在環(huán)形磁場中運動共2次；離子在無場區(qū)中直線運動共4次。（2分）

路徑總長  （2分）

考點：本題考查帶電粒子在磁場中的運動，涉及到多過程的分析。