Question

如圖所示，加速電場M、N板間距離為L、電壓為U，M板內(nèi)側(cè)中點處有一靜止的帶電粒子（重力可以忽略），質(zhì)量為m，電荷量為q，N板中點處有一小孔S₁，其右側(cè)有一內(nèi)壁光滑半徑為R的金屬圓筒，圓筒內(nèi)有垂直圓筒橫截面方向的勻強磁場，圓筒壁上有一小孔S₂，S₁、S₂和圓心O在同一直線上，S₁與O的距離為d（d＞R），粒子經(jīng)電場加速后射入圓筒，且以最短的時間從小孔S₂射出并回到出發(fā)點，求（設碰撞過程無動能損失）：
（1）筒內(nèi)磁場的磁感應強度大小；
（2）帶電粒子的運動周期．

Answer 1

【答案】分析：本題（1）的關鍵是根據(jù)題意畫出帶電粒子在圓筒內(nèi)運動的軌跡圖，然后結合幾何知識求出粒子做圓周運動的半徑，再根據(jù)牛頓第二定律即可求解．（2）題的關鍵是根據(jù)題意求出粒子運動的三個時間，即勻加速運動的時間、勻速運動的時間和在磁場中的運動時間，從而可求出周期．
解答：解：（1）帶電粒子從S₂孔進入，與筒壁碰撞2次再從S₂孔射出經(jīng)歷的時間為最短，如下圖所示．
設帶電粒子進入磁場的速度為v，根據(jù)動能定理有：①
帶電粒子進入磁場做勻速圓周運動，其軌跡為三段圓孤，設圓孤半徑為r，由幾何關系知：②
根據(jù)牛頓第二定律有：Bvq=③
由①②③解得

（2）帶電粒子從出發(fā)點至小孔S₁所用的時間為，由L=及可解得
帶電粒子從小孔S₁至小孔S₂所用的時間為，由d-R=v，可得
帶電粒子在磁場中的運動時間為，則
所以帶電粒子的運動周期
答：（1）筒內(nèi)磁場的磁感應強度大小為．
    （2）帶電粒子的運動周期T=
點評：遇到帶電粒子在有界運強磁場中的偏轉(zhuǎn)問題，關鍵是首先畫出運動軌跡，再根據(jù)幾何知識確定圓心并求出半徑，然后再根據(jù)牛頓第二定律和周期概念列式求解即可．