解题思路:(1)由洛仑兹力充当向心力可求得粒子半径,粒子离开磁场后做直线运动,由几何关系可求得光点与A点的距离;
(2)先画出圆形磁场转动β角情形下带电粒子在磁场中运动情形;由几何关系可得出y的表达式,再由数学规律即可求得最长时间;
(3)磁场旋转后,粒子的轨迹不变,只是轨迹的长度变化了,求解出粒子击中光屏的点与A点距离的表达式分析后,运用解析法得到极值.
(1)带电粒子在磁场中运动半径r满足:
qvB=m
v2
r ①
由①解得:
r=
mv
qB=0.2m
带电粒子运动轨迹如图(a)所示.
根据图中几何三角关系列出:
tanθ=
R
r ②
α=2θ ③
y=Rtanα ④
由①-④解得:
y=
0.4
3m=[2/15]m;
(2)由图(a)可知,粒子在磁场中运动的圆心角2θ,根据带电粒子在磁场中运动时间与圆心角关系:
t=
2θm
qB ⑤
由⑤和sinθ=
d
2r可知,当弦长d=2R时,圆心角2θ为最大,粒子运动时间最大,满足:
sinθ=
R
r=
1
2 ⑥
由⑥解得圆心角2θ=60°,由此得粒子速度方向在第Ⅳ象限,与x轴成30°角时,在磁场中运动时间最大,最长时间为:
t=
πm
3qB=[π
108×0.15=2.1×10-7s;
(3)先画出圆形磁场转动θ角情形下带电粒子在磁场中运动情形,如图(b)所示,由图中几何和三角关系列出:
x=rtanθ ⑦
α=2θ ⑧
y=(2R-x)tanα ⑨
由⑦-⑨
y=(2R−rtanθ)tanα=0.2(1−tanθ)
2tanθ
1−tan2θ=
0.4tanθ/1+tanθ=
0.4
cotθ+1] ⑩
由⑩可知,当θ角最大时,y也最大.当带电粒子入射点和射出点刚好在一条直径上时,θ角最大.sinθ=
R
r=
1
2,θ=30° (11)
由⑧⑨解得:
ym=0.2(
3−1)m
答:(1)沿着x轴正方向射出的粒子通过磁场后击中光屏的点与A点距离为[2/15]m;
(2)沿与x轴成30°角方向发射的粒子在磁场中运动的时间最长,最长时间是2.1×10-7s;
(3)磁场绕O点转过的角度为30°,最大距离为0.2(
点评:
本题考点: 带电粒子在匀强磁场中的运动;带电粒子在匀强电场中的运动.
考点点评: 带电粒子在磁场中的运动,一般应先明确粒子运动的圆心和半径,再根据题意作出带电子的可能的运动轨迹,根据几何关系及相应的数学知识进行求解,不难.