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如图,在某装置中有一匀强磁场,磁感应强度为B,方向垂直于Oxy所在的纸面向外.某时刻在x=l0、y=0处,一质子沿y轴的负方向进入磁场;同一时刻,在x=-l0、y=0处,一个α粒子进入磁场,速度方向与磁场垂直.不考虑质子与α粒子的相互作用.质子的质量为m,电荷量为e.α粒子的质量是质子质量4倍,电荷量是质子电荷量的2倍.
(1)质子从x=l0处出发恰好经过坐标原点O,它的速度为多大?
(2)质子从x=l0处到达坐标原点O处的时间为多少?
(3)如果α粒子与质子经最短时间在坐标原点相遇,α粒子的速度应为何值?方向如何?
(1)质子从x=l0处出发恰好经过坐标原点O,知质子的轨道半径r1=
l0
2

根据evB=m
v2
r

解得质子的速度v=
eBr1
m
=
eBl0
2m

(2)质子在磁场中运动的周期T=
2πm
eB

则质子到达坐标原点O处的时间t=
T
2
=
πm
eB

(3)α粒子的周期T′=
2π?4m
2eB
=
4πm
eB
,周期是质子周期的2倍,
如果α粒子与质子经最短时间在坐标原点相遇,可知α粒子运动的时间为四分之一个周期.
即圆弧对应的圆心角为90度,根据几何关系知,α粒子的速度方向与x轴正方向成45°,
根据几何关系知,α粒子的轨道半径r2=
2
2
l0

根据半径公式r2=
4mv′
2eB

解得v′=
2
eBl0
4m

答:(1)质子从x=l0处出发恰好经过坐标原点O,它的速度为
eBl0
2m

(2)质子从x=l0处到达坐标原点O处的时间为
πm
eB

(3)如果α粒子与质子经最短时间在坐标原点相遇,α粒子的速度应为
2
eBl0
4m
,方向与x轴的正方向成45°角.
练习册系列答案
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△φ
△t
=100wb/s.位于圆形磁场边界上某点(图中未画出)的离子源P,在纸面内向磁场区域发射速度大小为v=5
3
×105m/s,方向指向圆心的带正电的离子,离子的比荷为
q
m
=5×107c/kg,经一段时间后离子从磁场边界A点射出,沿直线AS进入M、N间的电场.(不计离子重力;离子碰到极板将被吸附)求:
(1)M、N间场强的大小和方向;
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①带负电,v0=
qBL
m
,第一次到达C点所用的时间为t1
②带负电,v0=
qBL
2m
,第一次到达C点所用的时间为t2
③带正电,v0=
qBL
m
,第一次到达C点所用的时间为t3
④带正电,v0=
qBL
2m
,第一次到达C点所用的时间为t4(  )
A.t1=t3<t2=t4B.t1<t2<t4<t3
C.t1<t2<t3<t4D.t1<t3<t2<t4

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