(1)由题目中“带电粒子从坐标原点O处沿y轴正方向进入磁场后,最终沿圆形磁场区域的水平直径离开磁场并继续沿x轴正方向运动”可知,带电微粒所受重力与电场力平衡.设电场强度大小为E,由平衡条件得:
mg=qE
∴E=
mg
q
电场方向沿y轴正方向
带电微粒进入磁场后,做匀速圆周运动,且圆运动半径r=R.
设匀强磁场的磁感应强度大小为B.由牛顿第二定律得:
qv 0B=m
v 0 2
R
∴B=
m v 0
qR
磁场方向垂直于纸面向外
(2)设由带电微粒发射装置射入第Ⅰ象限的带电微粒的初速度方向与x轴承夹角θ,
则θ满足0≤θ<
π
2 ,由于带电微粒最终将沿x轴正方向运动,
故B应垂直于xoy平面向外,带电微粒在磁场内做半径为
m v 0
qB 匀速圆周运动.
由于带电微粒的入射方向不同,若磁场充满纸面,
它们所对应的运动的轨迹如图所示
为使这些带电微粒经磁场偏转后沿x轴正方向运动.
由图可知,它们必须从经O点作圆运动的各圆的最高点飞离磁场.这样磁场边界上P点的坐标P(x,y)应满足方程:
x=Rsinθ,
y=R(1-cosθ),
所以磁场边界的方程为:
x 2+(y-R) 2+R 2
由题中0≤θ<
π
2 的条件可知
以θ→
π
2 的角度射入磁场区域的微粒的运动轨迹
(x-R) 2+y 2=R 2
即为所求磁场的另一侧的边界.
因此,符合题目要求的最小磁场的范围应是圆
x 2+(y-R) 2=R 2与圆(x-R) 2+y 2=R 2的
交集部分(图中阴影部分).
由几何关系,可以求得符合条件的磁场的最小面积为:
S min=(
π
2 -1)
m 2 v 0 2
q 2 B 2 =(
π
2 -1)R 2.
答:(1)电场强度的大小为
mg
q 方向沿y轴正方向;磁感应强度的大小为
m v 0
qR ,方向垂直纸面向外.
(2)匀强磁场的分布区域如图所示,求出符合条件的磁场区域的最小面积为(
π
2 -1)R 2..