Question

（2012年3月河南焦作一模）如图所示，在直角坐标系的原点O处有一放射源，向四周均匀发射速度大小相等、方向都平行于纸面的带电粒子。在放射源右侧有一很薄的挡板，垂直于x轴放置，挡板与xoy平面交线的两端M、N正好与原点O构成等边三角形，为挡板与x轴的交点。在整个空间中，有垂直于xoy平面向外的匀强磁场（图中未画出），带电粒子在磁场中沿顺时针方向做匀速圆周运动。已知带电粒子的质量为m，带电荷量大小为q，速度大小为υ，MN的长度为L。（不计带电粒子的重力及粒子间的相互作用）

（1）确定带电粒子的电性；

（2）要使带电粒子不打在挡板上，求磁感应强度的最小值；

（3）要使MN的右侧都有粒子打到，求磁感应强度的最大值。（计算过程中，要求画出各临界状态的轨迹图）

Answer 1

解题指导：根据带电粒子在磁场中沿顺时针方向做匀速圆周运动，利用左手定则可判断出粒子带正电荷。带电粒子在匀强磁场中运动，利用洛伦兹力公式等于向心力和图中几何关系列方程解答。

解：

（1）由左手定则可得，粒子带正电荷。（2分）

（2）设磁感应强度大小为B，带电粒子运动的轨迹半径为r，带电粒子做圆周运动的向心力由洛仑兹力提供，有：qvB=m ，     

解得r=mv/qB。                             （2分）

由于从O点射出的粒子的速度大小都相同，由上式可知，所有粒子的轨迹半径都相等。

由几何知识可知，为使粒子不打在挡板上，轨迹的半径最大时，带电粒子在O点沿y轴正方向射出，其轨迹刚好与MN相切，如图甲所示。（2分）

则最大半径 r_max=×L×cos30°=L。   （2分）

由上式可得，磁感应强度的最小值

B_min=。                （2分）

（3）为使MN的右侧都有粒子打到，打在N点的粒子最小半径的轨迹为图乙中的圆弧OMN。                   （2分） 

图中点O₃为轨迹的圆心，由于内接△OMN为正三角形，

由几何知识，最小的轨迹半径为r_min=_。    （3分）

粒子做匀速圆周运动的向心力由洛仑兹力提供，有qvB=m ， 

所以，磁感应强度的最大值B_max=。   （3分）