Question

如圖所示，在空間存在這樣一個磁場區(qū)域，以MN為界，上部分的勻強磁場的磁感應強度為B₁，下部分的勻強磁場的磁感應強度為B₂，B₁=2B₂=2B₀，方向均垂直紙面如圖所示，且磁場區(qū)域足夠大．在距離界線為h的某點有一帶負電荷的A離子與一不帶電的粒子B同時以某一速度以平行于界線MN的速度向右運動．粒子A質(zhì)量為m，帶電荷q，經(jīng)過界線MN時的速度方向與界線成60°角進入下部分磁場．當粒子B沿與界線平行的直線到達位置Q點時（Q點在圖中沒有標出），恰好又與粒子A第一次相遇．不計A、B粒子的重力．求：
（1）P、Q兩點間距離．
（2）粒子B運動的速度大小．

Answer 1

分析：（1）畫出在磁場中運動軌跡，由幾何知識求出軌跡的半徑，根據(jù)軌跡的對稱性，由幾何知識求出PQ間的距離．
（2）分析軌跡所對應的圓心角，得到時間與周期的關(guān)系，即可求解粒子A從P點到Q點的時間．由運動學的公式求解粒子B運動的速度大小；

解答：解：（1）粒子A的軌跡如圖，粒子A在勻強磁場中做勻速圓周運動，洛侖茲力提供向心力，設粒子A的速度為v₀，在MN上方運動半徑為R₁，運動周期為T₁，
根據(jù)牛頓第二定律和圓周運動公式有：
qv0B1=m

v 2 0

R1

，
解得：R1=

mv0

qB1

=

mv0

2qB1

，
T1=

2πR1

v0

=

πm

qB0

，
同理．粒子A在MN下方運動半徑R₂和周期T₂分別為
R₂=

mv0

qB2

=

mv0

qB0

=2R1； 
T₂=

2πm

qB0

粒子A由P點運動到MN邊界時與MN的夾角為60°，則有：
R₁-h=R₁cos60°  
得到：R₁=2h，R₂=4h．
PQ間的距離為：d=2R₂sin60°+2R₁sin60°=6

3

h
（2）粒子A從P點到Q點所用時間為t=

1

3

T1+

1

3

T2=

1

3

πm

qB0

+

1

3

?

2πm

qB0

=

πm

qB0

則粒子B的從P點到Q點速度為 v=

d

t

=

6 3 hqB0

πm

答：（1）P、Q兩點間距離為6

3

h．
（2）粒子B運動的速度大小為

6 3 hqB0

πm

．

點評：本題是有新穎的情景，實質(zhì)是帶電粒子在磁場中運動的類型，畫出軌跡，根據(jù)軌跡的對稱性，由幾何知識求出軌跡的半徑是解決本題的關(guān)鍵．