如图甲所示,x轴正方向水平向右,y轴正方向竖直向上.在xoy平面内有与y轴平行的匀强电场,在半径为R的圆形区域内加有与x

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  • (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

    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..

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