Question

如图所示，在真空中，边长为2b的虚线所围的正方形区域ABCD内存在匀强磁场，磁场方向垂直纸面向外．在磁场右侧有一对平行金属板M和N，两板间距离为b，板长为2b，O₁O₂为两板的中心线．且O₁为磁场右边界BC边的中点．有一电荷量为q、质量为m的带正电的粒子，以速度v从DC边某点P点沿垂直于DC的方向进入磁场，当粒子从O₁点沿O₁O₂方向飞出磁场的同时，给M、N板间加上如图所示交变电压u（图中U与T未知）．最后粒子刚好以平行于N板的速度，从N板的边缘飞出．不计平行金属板两端的边缘效应及粒子所受的重力．求：
（1）磁场的磁感应强度B的大小；
（2）交变电压的周期T和电压U的值；
（3）若t=时，将相同粒子从MN板右侧O₂点沿板的中心线O₂O₁方向，仍以速率v射入M、N之间，求粒子进入磁场后在磁场中运动的时间．

Answer 1

【答案】分析：粒子进入磁场在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，完成圆弧后，垂直进入匀强电场后做类平抛运动，最后只好从N板边缘飞出，由平抛运动规律可求出运动的时间，从而得出电场变化的周期，最终列出极板间电压的表达式．
当粒子以速度v沿O₂O₁射入电场时，则该粒子将恰好从M板边缘以平行于极板的速度射入磁场，根据粒子运动轨道结合几何关系可求出圆周运动的周期，从而算出运动的时间．
解答：解：粒子自P点进入磁场，从O₁点水平飞出磁场，运动半径为b，
则
解得： 
粒子自O₁点进入电场，最后恰好从N板的边缘平行飞出，
设运动时间为t，则2b=vt
   
t=nT（n=1，2，…） 
解得：  

（3）当粒子以速度v沿O₂O₁射入电场时，则该粒子将恰好从M板边缘以平行于极板的速度射入磁场，且进入磁场的为v，运动的轨道半径仍为b，设进入磁场的点为E，离开磁场的点为Q，圆心为O，
如图所示，
OB=R-=     OQ=R=b
由cos 
可得：  
因为，
得T= 
粒子在磁场中运动的时间为．
点评：本题突破口：粒子自O₁点进入电场，最后恰好从N板的边缘平行飞出；当粒子以速度v沿O₂O₁射入电场时，则该粒子将恰好从M板边缘以平行于极板的速度射入磁场．