Question

如圖所示（俯視），MN和PQ是兩根固定在同一水平面上的足夠長且電阻不計的平行金屬導軌．兩導軌間距為L=0.2m，其間有一個方向垂直水平面豎直向下的勻強磁場B1=5.0T。導軌上NQ之間接一電阻R1=0.40，阻值為R2=0.10的金屬桿垂直導軌放置并與導軌始終保持良好接觸。兩導軌右端通過金屬導線分別與電容器C的兩極相連。電容器C緊靠著帶小孔a（只能容一個粒子通過）的固定絕緣彈性圓筒。圓筒內壁光滑，筒內有垂直水平面豎直向下的勻強磁場B2，O是圓筒的圓心，圓筒的內半徑為r=0.40m。

（1）用一個大小恒為10N，平行于MN水平向左的外力F拉金屬桿，使桿從靜止開始向左運動求：當金屬桿最終勻速運動時桿的速度大小；

（2）當金屬桿處于（1）問中的勻速運動狀態時，電容器C內緊靠極板且正對a孔的D處有一個帶正電的粒子從靜止開始經電容器C加速后從a孔垂直磁場B2并正對著圓心O進入筒中，該帶電粒子與圓筒壁碰撞四次后恰好又從小孔a射出圓筒。已知粒子的比荷q/m=5×107（C/kg），該帶電粒子每次與筒壁發生碰撞時電量和能量都不損失，不計粒子重力和空氣阻力，則磁感應強度B2 多大（結果允許含有三角函數式）。

 

Answer 1

【答案】

（1）

（2）（ⅰ）情形1：每段軌跡圓弧對應的圓心角為

得：

（ⅱ）情形2：每段軌跡圓弧對應的圓心角為

將數據代式得?

【解析】（1）金屬桿先做加速度變小的加速運動，最終以最大速度勻速運動.設桿勻速運動時速度為v，

將已知數據代入得：

（2）設桿勻速運動時C兩極板間的電壓為U，帶電粒子進入圓筒的速率為V.在磁場中作勻速圓周運動的半徑為R，由于C與電阻R1并聯，

據歐姆定律得，

據動能定理有，

帶電粒子在磁場中作勻速圓周運動，

由于帶電粒子與圓筒壁碰撞時無電量和能量損失，那么每次碰撞前后粒子速度大小不變.速度方向總是沿著圓筒半徑方向，4個碰撞點與小孔a恰好將圓筒壁五等分，粒子在圓筒內的軌跡具有對稱性，由5段相同的圓弧組成，設每段軌跡圓弧對應的圓心角為，則由幾何關系可得：

有兩種情形符合題意（如圖所示）：

（ⅰ）情形1：每段軌跡圓弧對應的圓心角為

得：

（ⅱ）情形2：每段軌跡圓弧對應的圓心角為

將數據代式得?