Question

如圖，兩個共軸的圓筒形金屬電極，外電極接地，其上均勻分布著平行于軸線的四條狹縫a、b、c和d，外筒的外半徑為r₀。在圓筒之外的足夠大區域中有平行于軸線方向的均勻磁場，磁感強度的大小為B，在兩極間加上電壓，使兩圓筒之間的區域內有沿半徑向外的電場。一質量為m、帶電量為+q的粒子，從緊靠內筒且正對狹縫a的S點出發，初速為零。如果該粒子經過一段時間的運動之后恰好又回到出發點S，則兩極之間的電壓U應是多少？（不計重力，整個裝置在真空中。） 

 

Answer 1

【答案】

【解析】帶電粒子從S出發，在兩筒之間的電場力作用下加速，沿徑向穿出a而進入磁場區，在洛侖茲力作用下做勻速圓周運動.粒子再回到S點的條件是能沿徑向穿過狹縫b，只要穿過了b，粒子就會在電場力作用下先減速，再反向加速，經b重新進入磁場區，然后，粒子將以同樣方式經過c、d,再經過a回到S點.

 

設粒子射入磁場區的速度為v，根據能量守恒，mv²=qU 

設粒子在洛侖茲力作用下做勻速圓周運動的半徑為R，由洛侖茲力公式和牛頓定律得

m=qBv 

由前面分析可知，要回到S點，粒子從a到b必經過圓周.所以半徑R必定等于筒的外半徑r₀,即

R＝r₀由以上各式解得U＝

思路分析：根據題意可知粒子運動具有周期性，所以可以根據圖形計算半徑，再根據洛倫茲力提供向心力，解得速度。帶電場中應用動能定理，解得電壓U。

試題點評：這是一道復合場的綜合題，需要學生有較強的空間想象能力。