Question

如图，xOy平面内存在着沿y轴正方向的匀强电场．一个质量为m，带电荷量为+q的粒子从坐标原点O以速度v沿x轴正方向开始运动．当它经过图中虚线上的M（2a，a）点时，撤去电场，粒子继续运动一段时间后进入一个矩形匀强磁场区域（图中未画出），又从虚线上的某一位置N处y轴负方向运动并再次经过M点．已知磁场方向垂直xOy平面（纸面）向里，磁感应强度大小为B，不计粒子的重力．试求：
（1）电场强度的大小；
（2）N点的坐标；
（3）矩形磁场的最小面积．

Answer

带电粒子在电场中做类平抛运动，射出电场后做匀速直线运动，进入在磁场中做匀速圆周运动，利用类平抛运动的规从电场中射出速度方向的垂线一，垂足为P，则P点为粒子射入磁场的入射点，N为从磁场中射出的初射点．以O′为圆心，ON为半径做圆如下图；该圆即是粒子运动的轨迹；做NP 的平行线与圆相切，再做MO′的两条平行线与圆相切，则这三条切线和MN围成的面积即是最小面积．
【解析】
如图是粒子的运动过程示意图．
（1）粒子从O到M做类平抛运动，设时间为t，则有

得                    
电场强度大小为：
（2）设粒子运动到M点时速度为v，与x方向的夹角为α，则：            
=          
，
由题意知，粒子从P点进入磁场，从N点离开磁场，粒子在
磁场中以O′点为圆心做匀速圆周运动，设半径为R，
则：，
代入数据得粒子做圆周运动的半径为：

由几何关系知：   
所以N点的纵坐标为  
横坐标为                        
故N点的坐标为（）
（3）当矩形磁场为图示虚线矩形时的面积最小．则矩形的两个边长分别为

所以矩形磁场的最小面积为：   
矩形磁场最小面积为