Question

如圖所示，間距為L的平行金屬板AB、CD之間有相互垂直的勻強電場和勻強磁場（圖中未畫出），電場強度為E₁，磁感應強度為B₁．帶異種電荷的兩離子a、b，負離子a質量為m、帶電量為q，其比荷為正離子b比荷的9倍．它們在分別距離AB、CD板L/4處，以平行于金屬板方向的速度沿直線穿過ABCD區域進入電場強度為E₂的勻強電場區，E₂與E₁平行．MNP為沿AB、CD中心線方向的光滑絕緣板，離子與板碰撞后反彈無能量損失（即反彈前后水平分速度保持不變，豎直分速度大小不變、方向相反），且電量保持不變，到達板的N點后反彈進入磁感應強度為B₂的勻強磁場區，不計兩離子間的相互作用力及重力．
（1）在圖中畫出AB、CD間勻強磁場B₁的方向，并寫出離子速度大小的表達式；
（2）MN的長度要滿足什么條件，兩離子能恰好到達N點？
（3）若a離子的比荷q/m=10⁸C/kg，E_l=10³V/m，B_l=0.1T，E₂=3×10³V，L=2×10^-3m，且板NP足夠長．則兩離子進入勻強磁場B₂后，沿板NP方向上平均速度之比為多少？

Answer 1

【答案】分析：（1）根據洛倫茲力等于電場力，即可求解；
（2）根據離子做類平拋運動，由位移與時間的關系式，即可求解；
（3）根據運動的速度分解，結合三角函數關系，從而求得各自夾角，再由半徑與周期公式，進而即可求解．
解答：解：（1）要使兩離子沿直線通過AB、CD板間所加磁場B1方向垂直于紙面向里，如圖所示；
由 qB₁v=qE₁
解得離子速度大小為
（2）兩離子進入勻強電場E₂中作類平拋運動，設a離子第一次絕緣板碰撞的時間為t_a，所以
同理
解得t_b=3t_a
設MN間距為s，要a離子能到達N點，有
v（2n_a+1）t_a=s（n_a為正整數）
同理，要使b離子也到達N點，有
v（2n_b+1）t_b=s（n_b也為正整數）
解得（n_b=0、1、2、3、…）
（3）兩離子進入磁場后a離子垂直于板的速度

方向tan
 解得θ=60°
同理解得
 方向tana=
 解得a=30°
兩離子在B₂磁場中運動半徑，

兩離子在B₂磁場中運動周期T_a=  與T_b=
兩離子沿EFG板移動的平均速度分別為；
則兩速度之比為，
答：（1）在圖中畫出AB、CD間勻強磁場B₁的方向如上圖所示，并寫出離子速度大小的表達式為；
（2）MN的長度要滿足（n_b=0、1、2、3、…），兩離子能恰好到達N點；
（3）若a離子的比荷q/m=10⁸C/kg，E_l=10³V/m，B_l=0.1T，E₂=3×10³V，L=2×10^-3m，且板NP足夠長．則兩離子進入勻強磁場B₂后，沿板NP方向上平均速度之比為．
點評：考查受力平衡的條件與平衡方程，理解平拋運動的處理方法，掌握運動的合成與分解的思路，注意數學知識在本題巧妙運用．