Question

在如圖（a）所示的正方形平面oabc內(nèi)存在著垂直于該平面向外的勻強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B，已知正方形邊長為L．一個質(zhì)量為m、帶電量為+q的粒子（不計重力）在t=0時刻平行于oc邊從o點射入磁場中．
（1）若帶電粒子從a點射出磁場，求帶電粒子在磁場中運動的時間及初速度大小；
（2）若磁場的磁感應(yīng)強度按如圖（b）所示的規(guī)律變化，規(guī)定磁場向外的方向為正方向，磁感應(yīng)強度的大小為B₀，要使帶電粒子從b點沿著ab方向射出磁場，求滿足這一條件的磁感應(yīng)強度變化的周期T及粒子射入磁場時的最大速度v_m．
（3）若磁場的磁感應(yīng)強度按如圖（b）所示的規(guī)律變化，規(guī)定磁場向外的方向為正方向，磁感應(yīng)強度的大小為B₀，假使帶電粒子能從oa邊界射出磁場，求磁感應(yīng)強度B變化周期T的最小值；

Answer 1

分析：（1）帶電粒子在勻強磁場中由洛倫茲力提供向心力，做勻速圓周運動，從a點射出磁場時，運動半周，由牛頓定律和幾何關(guān)系求解．
（2）由牛頓定律和圓周運動公式求出粒子圓周運動的周期．根據(jù)軌跡分析在磁場變化的半個周期內(nèi)，粒子圓周運動偏轉(zhuǎn)角度，確定磁場變化的周期與粒子圓周運動周期的關(guān)系，磁感應(yīng)強度變化的周期T．根據(jù)對稱性，粒子在磁場變化的一個周期內(nèi)到達(dá)b點，其圓周運動的半徑最大，速度最大．由幾何知識求出最大的半徑，再牛頓定律求出最大的速度．
（3）畫出帶電粒子恰好能從oa邊界射出磁場時的軌跡，分析在磁場變化的半個周期內(nèi)，根據(jù)幾何知識確定粒子圓周運動偏轉(zhuǎn)角度，研究磁場變化的周期與粒子圓周運動周期的關(guān)系求解．

解答：解：（1）若帶電粒子從a點射出磁場，則做圓周運動的半徑為r=

L

2

        帶電粒子在磁場中運動的周期T₀=

2πr

v

=

2πm

qB

        所需時間t=

T0

2

=

πm

qB

        又根據(jù)qv₀B=m

v 2 0

r

       得v₀=

qBL

2m

    （2）若使粒子從b點沿著ab方向射出磁場，軌跡如圖．
   在磁場變化的半個周期內(nèi)，粒子在磁場中旋轉(zhuǎn)的角度為90°，
       即

T

2

=

T0

4

   則磁場變化的周期為T=

πm

qB0

   由幾何關(guān)系知圓弧半徑為r=

L

2

   又由qv_mB₀=m

v 2 m

r

        得v_m=

qB0L

2m

（3）要使粒子從oa邊射出，其臨界狀態(tài)軌跡如圖所示
   則有sinα=

1

2

，α=30°
   在磁場變化的半個周期內(nèi)，粒子在磁場中旋轉(zhuǎn)150°角，
   運動時間t=

5

12

T0=

5πm

6qB0

     而又t=

T

2

   故磁場變化的最小周期為T=

5πm

3qB0

答：（1）若帶電粒子從a點射出磁場，帶電粒子在磁場中運動的時間為

πm

qB

，初速度大小為

qBL

2m

．
    （2）磁感應(yīng)強度變化的周期T為

πm

qB0

，粒子射入磁場時的最大速度v_m為

qB0L

2m

．
    （3）磁感應(yīng)強度B變化周期T的最小值為

5πm

3qB0

．

點評：本題解題的關(guān)鍵在于畫出粒子運動軌跡，分析粒子圓周運動周期與磁場變化周期的關(guān)系．粒子圓周運動的時間往往根據(jù)軌跡的圓心角與周期的關(guān)系確定，t=

θ

2π

T，θ為圓心角．