解题思路:①首先做出轨迹图,利用几何关系判断出当弦长为多少时运动时间最长,从而可以计算出粒子在磁场中运行的最长时间.
②由确定的速度先求出粒子在磁场中的运动半径,利用几何关系判断出粒子射出磁场的区域,从而计算粒子射出区域弧长.
①、由洛伦兹力提供向心力得:
mv02
R=Bqv0
解得:R=
mv0
Bq=0.05m>r
故以ab为弦长的圆弧对应运动时间最长.
由图可知:
sinθ=
r
R=
3
5]
∴θ=37°
∴t=
2θ
360°×
2πm
Bq=6.45×10−8s
②、若速率v=3.0×105m/s.则
R′=
mv
Bq=0.015m,
由图可知有粒子可击中的边界弧长为
ac,由几何关系可知弧长为
ac所对应的圆心角为60°
ac=
60
360×2πr=3.14×10−2m
答:(1)粒子在磁场中运动的最长时间为6.45×10-8s.
(2)磁场边界上有粒子击中的弧长为3.14×10-2m.
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: 解决带电粒子在匀强磁场中匀速圆周运动问题时,应首先确定圆心的位置,找出半径,做好草图,利用数学几何并结合运动规律进行求解.
(1)圆心的确定:因洛伦兹力始终指向圆心,根据洛伦兹力的方向与速度的方向垂直,画出粒子运动轨迹中的任意两点(一般是射入和射出磁场的两点)的洛伦兹力的方向,其延长线的交点即为圆心.
(2)半径的确定和计算,半径的计算一般是利用几何知识,常用解三角形的方法.
(3)在磁场中运动时间的确定,由求出t,t=θ2πT(θ为弧度)或t=θ360°T(θ为度数);应注意速度矢量转过的角度θ,就是圆半径转过的角度,以及弦切角与圆心角的关系.