Question

（08年山東卷）（18分）兩塊足夠大的平行金屬極板水平放置，極板間加有空間分布均勻、大小隨時(shí)間周期性變化的電場和磁場，變化規(guī)律分別如圖1、圖2所示（規(guī)定垂直紙面向里為磁感應(yīng)強(qiáng)度的正方向）。在t=0時(shí)刻由負(fù)極板釋放一個(gè)初速度為零的帶負(fù)電的粒子（不計(jì)重力）。若電場強(qiáng)度E₀、磁感應(yīng)強(qiáng)度B₀、粒子的比荷均已知，且，兩板間距。

（1）求粒子在0～t₀時(shí)間內(nèi)的位移大小與極板間距h的比值。

（2）求粒子在板板間做圓周運(yùn)動(dòng)的最大半徑（用h表示）。

（3）若板間電場強(qiáng)度E隨時(shí)間的變化仍如圖1所示，磁場的變化改為如圖3所示，試畫出粒子在板間運(yùn)動(dòng)的軌跡圖（不必寫計(jì)算過程）。

Answer 1

解析：

（1）設(shè)粒子在0～t₀時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的位移大小為s₁

 

                                                           ①

 

                                                        ②

 

又已知

 

聯(lián)立①②式解得

 

                                           ③

（2）粒子在t₀~2t₀時(shí)間內(nèi)只受洛倫茲力作用，且速度與磁場方向垂直，所以粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。設(shè)運(yùn)動(dòng)速度大小為v₁，軌道半徑為R₁，周期為T，則

 

                                          ④

 

                                 ⑤

 

聯(lián)立④⑤式得

 

                                         ⑥

 

又                                    ⑦

 

即粒子在t₀~2t₀時(shí)間內(nèi)恰好完成一個(gè)周期的圓周運(yùn)動(dòng)。在2t₀~3t₀時(shí)間內(nèi)，粒子做初速度為v₁的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，設(shè)位移大小為s₂

                             ⑧

 

解得                                  ⑨

 

由于s₁+s₂＜h，所以粒子在3t₀~4t₀時(shí)間內(nèi)繼續(xù)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，設(shè)速度大小為v₂，半徑為R₂

 

                                   ⑩

 

                                

解得                               

由于s₁+s₂+R₂＜h，粒子恰好又完成一個(gè)周期的圓周運(yùn)動(dòng)。在4t₀~5t₀時(shí)間內(nèi)，粒子運(yùn)動(dòng)到正極板（如下圖中的圖1所示）。因此粒子運(yùn)動(dòng)的最大半徑。

 

    （3）粒子在板間運(yùn)動(dòng)的軌跡解析（2）中的圖2所示。