Question

图中左边有一对平行金属板，两板相距为d．电压为V；两板之间有匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向与金属板面平行并垂直于纸面朝里．图中右边有一半径为R、圆心为O的圆形区域内也存在匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直于纸面朝里．一电荷量为q的正离子沿平行于全属板面、垂直于磁场的方向射入平行金属板之间，沿同一方向射出平行金属板之间的区域，并沿直径EF方向射入磁场区域，最后从圆形区城边界上的G点射出．已知弧所对应的圆心角为θ，不计重力．求
（1）离子速度的大小；
（2）离子的质量．

Answer

（1）对离子进行受力分析受到洛伦兹力和电场力作用，且二力平衡；结合匀强电场的场强与电势差的关系式，可求出离子在电场中的运动速度．
（2）根据题意画出离子在磁场中运动的轨迹草图，充分利用几何关系，结合离子在磁场中的运动半径公式，即可求出离子的质量．
【解析】

（1）由题设知，离子在平行金属板之间做匀速直线运动，将受到的向上的洛伦兹力和向下的电场力，由题意知二力平衡，有：
qvB=qE0…①
式中，v是离子运动速度的大小．E是平行金属板之间的匀强电场的强度，有：
…②
①②两式联立得：
v=…③
（2）在圆形磁场区域，离子做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，由洛伦兹力公式和牛顿第二定律有：
qvB=…④
式中，m和r分别是离子的质量和它做圆周运动的半径．
由题设，离子从磁场边界上的点G穿出，离子运动的圆周的圆心O'必在过E点垂直于EF的直线上，且在EG的垂直一平分线上（见图）．
由几何关系有：
r=Rtanα…⑤
式中，α是OO'与直径EF的夹角，由几何关系得：
2α+θ=π…⑥
联立③④⑤⑥式得，离子的质量为：

答：（1）离子速度的大小为．
（2）离子的质量．