解题思路:(1)根据动能定理求出粒子经电场加速度后获得的速度,即进入磁场时速度.(2)先由第一问的结论求出x=-R3处的离子释放后获得的速度,然后运动学公式和牛顿第二定律求出从释放到经过点(R,0)所需时间t.(3)所有离子都经过的点为持续发出荧光的点,由几何知识确定半径,由牛顿第二定律求磁感应强度.
(1)于x处释放离子,由动能定理得:Eq[1/2R]x2=[1/2]mv2
得离子进入磁场时的速度为:v=
Eq
mR|x|
(2)由(1)得在x=-[R/3] 处释放的离子到达x轴时速度为:v=
Eq
mR•[R/3]=[1/3]
EqR
m
从释放到到达x轴时间为:t1=[v/a]=
1
3
EqR
m
Eq
m=[1/3]
mR
Eq
a)第一种情况:离子直接从x=-[R/3]经磁场达x=R 处.
在磁场中经历半圆时间为:t2=[s/v]=
π
2(R+
R
3)
v=2π
mR
Eq
总时间为:T1=t1+t2=(2π+[1/3])
mR
Eq
b)第二种情况:离子直接从x=-[R/3]经磁场达x=[R/3]处进入电场返回磁场再到x=R处
易得在磁场中时间仍然为:t2=2π
mR
Eq
在电场中时间为:3t1=
mR
Eq
总时间为:T2=3t1+t2=(2π+1)
mR
Eq
(3)在磁场B中有:qvB=m
v2
r
所以运动半径为:r=[mv/qB]=[1/B]
Em
qR|x|
可以看出,B一定时,必有r∝|x|,当|x|→0时,r→0 (离子经磁场偏转从逼近原点出磁场)因此,所有离子都从原点(0,0)点出磁场,击中荧光屏上(0,[1/2]R)
则有:2r=x
因为qvB1=m
v2
r
所以有:B1=[mv/qr]=2
Em
qR
答:(1)在x(-R≤x≤R)处释放的离子进入磁场时速度v=
Eq
mR|x|.
(2)若仅让横坐标x=-[R/3]的离子释放,它最后能经过点(R,0),从释放到经过点(R,0)所需时间t=(2π+[1/3])
mR
Eq 或(2π+1)
mR
Eq.
(3)若同时将离子由静止释放,释放后一段时间发现荧光屏上只有一点持续发出荧光.该点坐标为(0,[1/2]R)磁感应强度B1为2
Em
qR.
点评:
本题考点: 带电粒子在匀强磁场中的运动;牛顿第二定律;向心力;动能定理的应用;带电粒子在匀强电场中的运动.
考点点评: 本题中电场的区域边界是数学解析式的表达方式,设计新颖,学习中应该注意数学思想在物理中的应用.