Question

如图所示，相距为R的两块平行金属板M、N正对着放置，s₁、s₂分别为M、N板上的小孔，s₁、s₂、O三点共线，它们的连线垂直M、N，且s₂O=R．以O为圆心、R为半径的圆形区域内存在磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向外的匀强磁场．D为收集板，收集板上各点到O点的距离以及两端点A和C的距离都为2R，板两端点的连线AC垂直M、N板．质量为m、带电量为+q的粒子，经s₁进入M、N间的电场后，通过s₂进入磁场．粒子在s₁处的速度和粒子所受的重力均不计．
（1）当M、N间的电压为U_x时，求粒子进入磁场时速度的大小v_x；
（2）要使粒子能够打在收集板D上，求在M、N间所加电压的范围；
（3）若粒子恰好打在收集板D的中点上，求粒子从s₁开始运动到打在D的中点上经历的时间．

Answer

（1）粒子在电场中运动时，电场力做功引起动能变化，由动能定理vx；
（2）粒子进入磁场后，由洛伦兹力提供向心力做匀速圆周运动，由牛顿第二定律求出轨迹半径表达式．当粒子打在收集板D的A点时，轨迹半径最小，粒子速度最小，在M、N间所加电压最小；当粒子打在收集板D的C点时，轨迹半径最大，粒子速度最大，在M、N间所加电压最大；由几何知识求出半径，再求解电压的范围．
（3）粒子从s1开始运动到打在D的中点上经历的时间分三段：加速电场中，由运动学平均速度法求出时间；磁场中根据时间与周期的关系求解时间；射出磁场后粒子做匀速直线运动，由速度公式求解时间，再求解总时间．
【解析】

（1）粒子从s1到达s2的过程中，根据动能定理得：
        解得：
（2）粒子进入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，设此时其速度大小为v，轨道半径为r，根据牛顿第二定律得：
粒子在M、N之间运动，根据动能定理得：，
  联立解得：
当粒子打在收集板D的A点时，经历的时间最长，由几何关系可知粒子在磁场中运动的半径，此时M、N间的电压最小，为
当粒子打在收集板D的C点时，经历的时间最短，由几何关系可知粒子在磁场中运动的半径，此时M、N间的电压最大，为
要使粒子能够打在收集板D上，在M、N间所加电压的范围为．
（3）根据题意分析可知，当粒子打在收集板D的中点上时，根据几何关系可以求得粒子在磁场中运动的半径r=R，粒子进入磁场时的速度
   粒子在电场中运动的时间：
   粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期
   粒子在磁场中经历的时间
  粒子出磁场后做匀速直线运动经历的时间
所以粒子从s1运动到A点经历的时间为
答：（1）当M、N间的电压为Ux时，求粒子进入磁场时速度的大小；
   （2）要使粒子能够打在收集板D上，在M、N间所加电压的范围为；
   （3）若粒子恰好打在收集板D的中点上，粒子从s1开始运动到打在D的中点上经历的时间是．