Question

【題目】圖中坐標原點O (0, 0）處有一帶電粒子源，向y≥0一側沿Oxy平面內的各個不同方向發(fā)射帶正電的粒子，粒子的速率都是v，質量均為m，電荷量均為q．有人設計了一方向垂直于Oxy平面，磁感應強度的大小為 B 的均勻磁場區(qū)域，使上述所有帶電粒子從該磁場區(qū)域的邊界射出時，均能沿x軸正方向運動．試求出此邊界線的方程，并畫出此邊界線的示意圖．

Answer 1

【答案】x2+(y—R)2=R2（8)或，示意圖見解析

【解析】

先設磁感應強度為B的勻強磁場方向垂直xy平面向里，且無邊界．考察從粒子源發(fā)出的速率為v、方向與x軸夾角為θ的粒子，在磁場的洛侖茲力作用下粒子做圓周運動，圓軌道經過坐標原點O，且與速度方向相切，若圓軌道的半徑為R，有

（1）得(2)

圓軌道的圓心O’在過坐標原點O與速度方向垂直的直線上，至原點的距離為R，如圖1所示．通過圓心O’作平行于y軸的直線與圓軌道交于P點，粒子運動到P點時其速度方向恰好是沿x軸正方向，故P點就在磁場區(qū)域的邊界上．對于不同人射方向的粒子，對應的P點的位置不同，所有這些P點的連線就是所求磁場區(qū)域的邊界線．P點的坐標為

x＝—Rsinθ(3)

y＝一R+Rcosθ(4)

這就是磁場區(qū)域邊界的參數(shù)方程，消去參數(shù)θ，得

x2+(y+R)2=R2(5)

由（2）、（5）式得

(6)

這是半徑為R圓心O’’的坐標為（0，-R)的圓，作為題所要求的磁場區(qū)域的邊界線，應是如圖2所示的半個圓周，故磁場區(qū)域的邊界線的方程為

(7)

若磁場方向垂直于xy面向外，則磁場的邊界線為如圖3示的半圓，磁場區(qū)域的邊界線的方程為

x2+(y—R)2=R2（8)

或（9）

證明同前