问题描述:
如图所示,OA为平面直角坐标系xOy第一象限内的一条射线,其将第一象限分成Ⅰ、Ⅱ两个区域,OA与x轴正方向的夹角为30°,在Ⅰ区域内存在垂直xOy平面向外的匀强磁场(未画出),磁感应强度B=2×10-5 T.在原点O处有一离子源,能沿y轴正方向射出速度大小不同的正离子,离子的比荷为q |
m |
(1)求初速度v0m=2×106 m/s的离子在磁场中运动的半径r和时间t.
(2)若在(1)中的离子在磁场中运动的某时刻,在Ⅰ区域内再附加一个与原磁场同方向的匀强磁场,使离子在Ⅰ区域内做完整的圆周运动,求附加磁场的磁感应强度的最小值B0.
(3)改变Ⅰ区域匀强磁场区域的大小,使所有从原点射出的离子经磁场偏转后均沿+x方向射出,求Ⅰ区域中匀强磁场区域的最小面积S.
最佳答案:
(1)离子在磁场中做圆周运动,洛伦兹力作向心力,则有Bv0mq=
mv0m2 |
r |
mv0m |
Bq |
2×106 |
2×10-5×5×1011 |
1 |
5 |
离子做圆周运动的周期T=
2πr |
v0m |
2πm |
Bq |
2π |
2×10-5×5×1011 |
离子沿y轴正方向射入磁场,则如图所示,,粒子在磁场中转过的中心角为120°,所以,运动时间t=
1 |
3 |
2 |
3 |
(2)在Ⅰ区域内再附加一个与原磁场同方向的匀强磁场,使离子在Ⅰ区域内做完整的圆周运动,粒子的运动方向不变,粒子做圆周运动的圆心在原来的半径上,则如图所示,
叠加磁场后磁感应强度为B,仍由洛伦兹力作向心力,所以,粒子运动的半径R=
mv0m |
B′q |
当半径与OA垂直时半径最大,此时,2R=r-rsin30°=
1 |
2 |
1 |
4 |
mv0m |
qR |
4mv0m |
qr |
所以,附加磁场的磁感应强度的最小值B0为3B=6×10-5T;
(3)所有从原点射出的离子经磁场偏转后均沿+x方向射出,所以,所有粒子转过中心角90°则射出点的纵坐标等于横坐标,则如图所示,,
所以,Ⅰ区域中匀强磁场区域的最小面积S=
1 |
4 |
1 |
2 |
π-2 |
4 |
π-2 |
4 |
1 |
25 |
π-2 |
100 |
答:(1)初速度v0m=2×106 m/s的离子在磁场中运动的半径r为
1 |
5 |
2 |
3 |
(2)若在(1)中的离子在磁场中运动的某时刻,在Ⅰ区域内再附加一个与原磁场同方向的匀强磁场,使离子在Ⅰ区域内做完整的圆周运动,则附加磁场的磁感应强度的最小值B0为6×10-5T;
(3)改变Ⅰ区域匀强磁场区域的大小,�
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