Question

如圖所示，板間距為d、板長為L的兩塊平行金屬板EF、GH水平放置，在緊靠平行板右側的正三角形區域內存在著垂直紙面的勻強磁場，三角形底邊BC與GH在同一水平線上，頂點A與EF在同一水平線上．一個質量為m、電量為-q的粒子沿兩板中心線以初速度v水平射入，若在兩板之間加某一恒定電壓，粒子離開電場后垂直AB邊從D點進入磁場，BD=AB，并垂直AC邊射出（不計粒子的重力），求：
（1）粒子離開電場時瞬時速度的大小；
（2）兩極板間電壓的大小和三角形區域內磁感應強度；
（3）若兩板間不加電壓，三角形區域內的磁場方向垂直紙面向里，要使粒子進入磁場區域后能從AB邊射出，試求所加磁場的磁感應強度最小值．

Answer 1

【答案】分析：（1）粒子離開電場后速度垂直AB邊，由幾何知識可求出速度的偏向角，根據速度的分解則能求出粒子離開電場時瞬時速度的大小；
（2）粒子在電場中做類平拋運動，豎直方向做初速度為零的勻加速直線運動，由牛頓第二定律和運動學公式求出電壓．粒子垂直進入三角形區域內勻強磁場后做勻速圓周運動，畫出軌跡，由于粒子垂直AB邊射入和AC邊射出，由幾何知識求出粒子圓周運動的半徑，根據洛倫茲力提供向心力求出三角形區域內磁感應強度；
（3）若兩板間不加電壓，三角形區域內的磁場方向垂直紙面向里，當粒子剛好與BC邊相切時，磁感應強度最小，作出軌跡，由幾何知識求出最小半徑，由牛頓第二定律即可求出磁感應強度的最小值．
解答：解：（1）垂直AB邊進入磁場，由幾何知識得：粒子離開電場時偏轉角為θ=30°
則粒子離開電場時瞬時速度的大小為：v==
（2）在電場中豎直方向：v_y=
由幾何關系得：tanθ=
故：U=
由幾何關系得：L_AB=
設在磁場中運動半徑為r₁，則：r₁==
又：B₁qv=m
而：v==
以上式子聯立得：B₁=
由左手定律判斷得知，B₁的方向：垂直紙面向外

（3）當粒子剛好與BC邊相切時，磁感應強度最小，設粒子的運動半徑為r₂，
由幾何知識知：r₂=
B₂qv=m
故：B₂=，即磁感應強度的最小值
答：（1）粒子離開電場時瞬時速度的大小為；
（2）兩極板間電壓的大小為，三角形區域內磁感應強度為，方向：垂直紙面向外
（3）所加磁場的磁感應強度最小值為．
點評：本題粒子先在電場中偏轉，運用運動的分解法研究；后在磁場中做勻速圓周運動，畫軌跡、幾何知識求出半徑是常用的方法和思路．