(1)在M、N电场间处于一直加速的粒子从小孔Q中射出的速度最大,设从最大速度为v m
根据动能定理得 qU=
1
2 m
v 2m
解得:v m=
2qU
m
(2)设M、N两板间距离为d,则两板间的电场强度大小 E=
U
d ,
设粒子运动的加速度为a,根据牛顿第二定律得 qE=ma
解得:a=
qU
md
每一个周期的第一个
T
4 时刻放出的带电粒子刚好能从小孔Q中射出,它加速和减速各经历
T
4 ,
由d=
1
2 a(
T
4 ) 2 ×2
解得:d=
T
4
qU
m
(3)每一个周期的前
T
4 时间内放出的带电粒子才能从小孔Q中射出,其中射出最早的粒子速度最大,越晚射出的粒子速度越小.粒子进入磁场,其中速度越小者运动半径越小,射出点离射入点越近,偏转角度越大(越接近π).最早射入者速度最大,运动半径最大,偏转角度最小,射出点与入射点所夹弧长最大.
设带电粒子以最大速度射入时在磁场中的运动半径为R,偏转角为θ,由牛顿第二定律和几何关系得
Bqv=m
v 2
R
tan
θ
2 =
r
R
解得:θ=2arctanBr
q
2mU
设沿圆形磁场边界上有带电粒子射出的最大弧长为s(图中实线部分),根据弧长公式
s=r(π-θ)=r(π-2arctanBr
q
2mU )
答:
(1)带电粒子从小孔Q中射出的最大速度为
2qU
m ;
(2)M、N两板间的距离为
T
4
qU
m ;
(3)在沿圆形磁场的边界上,有带电粒子射出的最大弧长为r(π-2arctanBr
q
2mU ).