Question

如图所示，在O≤x≤a、o≤y≤a/2范围内有垂直于x平面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B。坐标原点O处有一个粒子源，在某时刻发射大量质量为m、电荷量为q的带正电粒子，它们的速度大小相同，速度方向均在xy平面内，与y轴正方向的夹角分布在0-90°范围内。已知粒子在磁场中做圆周运动的半径介于a／2到a之间，从发射粒子到粒子全部离开磁场经历的时间恰好为粒子在磁场中做圆周运动周期的四分之一。求最后离开磁场的粒子从粒子源射出时的
（1）速度的大小；
（2）速度方向与y轴正方向夹角的正弦。

Answer 1

解：（1）设粒子的发射速度为v，粒子做圆周运动的轨道半径为R，由牛顿第二定律和洛伦兹力公式，得
  ①
由①式得  ②
当a/2＜R＜a时，在磁场中运动时间最长的粒子，其轨迹是圆心为C的圆弧，圆弧与磁场的上边界相切，如图所示。设该粒子在磁场中运动的时间为t，依题意t=T/4，得  ③

设最后离开磁场的粒子的发射方向与y轴正方向的夹角为α，由几何关系可得
Rsinα=R一a/2 ④
Rsinα=a－Rcosα ⑤
又sin²α+cos²α=1  ⑥
由④⑤⑥式得  ⑦
由②⑦式得  ⑧
（2）由④⑦式得  ⑨