解题思路:(1)离子恰好能从AC边射出的临界情况为与AC相切时,作出轨迹由几何知识确定圆心,由牛顿第二定律列方程求速度大小,确定出圆心角由周期公式求运动时间.
(2)分析可知所有离子的轨迹圆的圆心都在y轴正半轴上,所以满足题意的最小磁场区域为一扇形.
(1)正离子在磁场内做匀速圆周运动,离子刚好从AC边上的D点射出时,如图甲所示,离子轨迹圆的圆心为O′,轨道半径为r,由几何知识得:
r+2r=l
故r=[l/3]=0.1m
粒子在磁场中运动,洛伦兹力提供向心力
qvB=m
v2
r
联立以上各式的:v=[qBr/m]=1.0×104m/s
若正离子恰好从AC边射出,由几何知识可知,圆心角∠DO′O=120°
又因T=[2πm/qB]
所以正离子在磁场中运动的时间t=[θ/360°]T=2.1×10-5s
(2)所有离子进入磁场后均做逆时针方向的匀速圆周运动,且入射方向沿x轴正方向,离开时沿y轴正方向,速度偏转角为[π/2],并且所有离子的轨迹圆的圆心都在y轴正半轴上,
所以满足题意的最小磁场区域为图乙所示,
根据牛顿第二定律有:
qvmB=m
vm2
Rm
得:Rm=
mvm
qB=0.4m
所以磁场区域最小面积为:
S=[1/4]πRm2-[1/2]Rm2=0.04(π-2)=0.0456m2
答:(1)离子的速度大小为1.0×104m/s,离子在磁场中运动的时间为2.1×10-5s.
(2)磁场的最小面积为0.0456m2.
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.
考点点评: 求极值的问题可以说是磁场部分难度较大的题目,此类问题关键在于找好临界情况,临界点通常在端点或者相切位置.