如图所示,△OAC的三个顶点的坐标分别为O(0,0)、A(L,0)、C(0,L),在△OAC区域内存在垂直于xOy平面向里的匀强磁场.在t=0时刻,从三角形的OA边各处有质量均为m、电荷量均为q的带正电粒子射入磁场,所有粒子射入磁场时相同速度且均沿y轴正向,已知在t=t0时刻从OC边射出磁场的粒子的速度方向垂直于y轴.不计粒子的重力和粒子间的相互作用。求(1)带电粒子在磁场中运动的周期T;
(2)磁场的磁感应强度B的大小;
(3)若恰好不能从AC边离开磁场的粒子最终从O点离开磁场,求粒子进入磁场时的速度大小v1;
(4)若从OA边两个不同位置射入磁场的粒子,先后从OC边上的同一点P(图中未标出)射出磁场,这两个粒子经过P点的时间间隔与P点位置有关,若该时间间隔的最大值为,求粒子进入磁场时的速度大小v2。
【解析】(1)在t=t0时刻从OC边射出磁场的粒子在磁场中运动了四分之一周期,
则T=4t0 (2分)
(2)带电粒子在磁场中做匀速圆周运动
解得:(2分)
(3)粒子运动轨迹如图所示
(2分) (1分)
(1分)
(4)时间间隔最大时两粒子的运动轨迹如图所示。
(1分)
当Δt最大为时,有: 解得: (1分)
由几何关系得:,解得: (2分)
又,则,联立解得: (2分)
质谱仪:
具有相同核电荷数而不同质量数的原子互称同位素,质谱仪是分离各种元素的同位素并测量它们质量的仪器,它由静电加速器、速度选择器、偏转磁场、显示屏等组成,它的结构原理如图所示。
如图所示,离子源S产生质量为m,电荷量为q的正离子(所受重力不计)。离子出来时速度很小(可忽略不计),经过电压为U的电场加速后进入磁感应强度为B的匀强磁场中做匀速圆周运动,经过半个周期到达记录它的照相底片P上,测得它在P上的位置到入口处的距离为L,则
联立求解得。
因此,只要知道q、B、L与U,就可计算出带电粒子的质量m。
速度选择器:
(1)平行板中电场强度E和磁感应强度B互相垂直,这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来,所以叫做速度选择器,如图所示。
(2)带电粒子能够沿直线匀速通过速度选择器的条件是,即,与带电粒子的质量,所带电荷的正负、电荷量均无关,只与速度有关。
(3)若,粒子向电场力方向偏,电场力做正功,粒子动能增加;,粒子向磁场力方向偏,电场力做负功,动能减少。
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