Question

如圖a，間距為d的平行金屬板MN與一對光滑的平行導(dǎo)軌相連，平行導(dǎo)軌間距L=，一根導(dǎo)體棒ab以一定的初速度向右勻速運(yùn)動，棒的右端存在一個垂直紙面向里，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場．棒進(jìn)入磁場的同時，粒子源P釋放一個初速度為零的帶電粒子，已知帶電粒子質(zhì)量為m，電荷量為q，粒子能從N板加速到M板，并從M板上的一個小孔穿出．在板的上方，有一個環(huán)形區(qū)域內(nèi)存在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小也為B，垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場．已知外圓半徑為2d，內(nèi)圓半徑為d，兩圓的圓心與小孔重合（粒子重力不計）．

（1）判斷帶電粒子的正負(fù)，并求當(dāng)ab棒的速度為v時，粒子到達(dá)M板的速度v；
（2）若要求粒子不能從外圓邊界飛出，則ab棒運(yùn)動速度v的取值范圍是多少？
（3）若棒ab的速度，為使粒子不從外圓飛出，可通過控制導(dǎo)軌區(qū)域磁場的寬度S（如圖b），則該磁場寬度S應(yīng)控制在多少范圍內(nèi)？

Answer 1

【答案】分析：（1）由右手定則判斷ab棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向，分析M、N兩板的電性，即可判斷帶電粒子的電性；由公式E=BLv求出棒ab產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，MN板間電壓就等于此感應(yīng)電動勢，根據(jù)動能定理求粒子到達(dá)M板的速度v；
（2）要使粒子不從外邊界飛出，則粒子最大半徑時的軌跡與外圓相切，由幾何關(guān)系求出軌跡半徑的最大半徑，由洛倫茲力充當(dāng)向心力，列式求出速度的最大值，即可得到速度的范圍；
（3）若棒ab的速度，粒子在磁場中軌跡半徑等于d，如果讓粒子在MN間一直加速，則必然會從外圓飛出，所以只能讓粒子在MN間只加速至最大速度（上題的結(jié)果）．研究粒子在電場加速過程，由牛頓第二定律和運(yùn)動學(xué)公式求出加速的時間，即可求出導(dǎo)軌區(qū)域磁場的寬度S．
解答：解：（1）根據(jù)右手定則知，a端為正極，故帶電粒子必須帶負(fù)電
ab棒切割磁感線，產(chǎn)生的電動勢U=B
對于粒子，由動能定理qU=-0 
得粒子射出電容器的速度為 v=
（2）要使粒子不從外邊界飛出，則粒子最大半徑時的軌跡與外圓相切，
由幾何關(guān)系有：（2d-r）²=r²+d²
得 r=
由洛侖茲力等于向心力，有：qvB=m
聯(lián)立得 v=    
故ab棒的速度范圍：v≤
（3）因為＞v_m，故如果讓粒子在MN間一直加速，則必然會從外圓飛出，
所以只能讓粒子在MN間只加速至速度為 v==，再勻速射出電容器則可．
而帶電粒子在電場中加速過程，有
   a==
將代入得：a=
  由v==at=t    
得：t=
對于棒ab：s=v′t=d   
 故磁場的寬度應(yīng)：s≤d
答：
（1）帶電粒子帶負(fù)電，當(dāng)ab棒的速度為v時，粒子到達(dá)M板的速度v是；
（2）若要求粒子不能從外圓邊界飛出，則ab棒運(yùn)動速度v的取值范圍是：v≤．
（3）若棒ab的速度，為使粒子不從外圓飛出，可通過控制導(dǎo)軌區(qū)域磁場的寬度S（如圖b），則該磁場寬度S應(yīng)控制在d之內(nèi)．
點(diǎn)評：本題是電場加速、磁場偏轉(zhuǎn)和電磁感應(yīng)的組合，根據(jù)動能定理求加速獲得的速度，磁場中畫軌跡等等都常規(guī)方法，關(guān)鍵要抓住各個過程之間的內(nèi)在聯(lián)系．