Question

如图甲所示，x方向足够长的两个条形区域，其y方向的宽度分别为l₁=0.1m和l₂=0.2m，两区域分别分布着磁感应强度为B₁和B₂的磁场，磁场方与xy平面垂直向里，磁感应强度B₂=0.1T，B₁随时间变化的图象如图乙所示．现有大量粒子从坐标原点O以恒定速度 v=2×10⁶m/s不断沿y轴正方向射入磁场，已知带电粒子的电量q=-2×10^-8C，质量m=4×10^-16kg，不考虑磁场变化产生的电场及带电粒子的重力．求：
（1）在图乙中0～1s内，哪段时间从O发射的粒子能进入磁感应强度B₂的磁场？
（2）带电粒子打在磁场上边界MN上的x坐标范围是多少？
（3）在MN以下整个磁场区域内，单个带电粒子运动的最长时间和最短时间分别是多少？

Answer

（1）粒子在B1磁场中运动时间极短，可视这极短时间内的磁场为恒定的匀强磁场，带电粒子在该磁场中做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律列出等式，求出B1，结合乙图即可求解；
（2）设粒子在B2磁场中运动的半径为r2，当B1=0时，粒子打在MN上的A1点为最左边的点．根据牛顿运动定律结合几何关系求得A1点的横坐标，画出粒子运动图象若A2为最右边点，则A2为轨迹与边界MN的切点．过C1点作速度方向的垂线，O1为带电粒子在磁场B1中运动的圆心，O2为在磁场B2中运动的圆心．由几何知识可得A2点的横坐标；
（3）粒子轨迹与MN相切时，粒子在磁场中运动轨迹最长，时间也最长．由于粒子在磁场中做匀速圆周运动，且轨迹左右对称，则粒子在磁场B1中的运动时间即可求出，随着磁场B1逐渐增大，带电粒子在磁场中的运动时间先增大后减小，当B1达到最大值时，运动时间最短．
【解析】
（1）粒子在B1磁场中运动时间极短，可视这极短时间内的磁场为恒定的匀强磁场，带电粒子在该磁场中做匀速圆周运动，根据牛顿第二定律，有
，当r=l1时，，代入数据得
B1=0.4 T．    
由右图可知，当B1=0.4T时，
t=t′=0.8s    
因此，0～0.8s时间内B1的值小于0.4T，粒子运动半径大于l1，这段时间从O发射的粒子将进入磁感应强度B2的区域．
（2）设粒子在B2磁场中运动的半径为r2，当B1=0时，粒子打在MN上的A1点为最左边的点．根据牛顿运动定律得
，
代入数据解得  
如右图几何关系可知  
A1点的横坐标为
x1=r2-r2cosθ1=m    
下图中，若A2为最右边点，则A2为轨迹与边界MN的切点．过C1点作速度方向的垂线，O1为带电粒子在磁场B1中运动的圆心，O2为在磁场B2中运动的圆心．由几何知识可得：
O2C2=r2-（l1+l2）=0.1m
，即 θ2=30°，
由此可得A2点的横坐标x2为：x2=r1（1-cosθ2）+r2cosθ2
由几何知识可知此时 r1=0.2m
解得：
（3）粒子轨迹与MN相切时，粒子在磁场中运动轨迹最长，时间也最长．由于粒子在磁场中做匀速圆周运动，且轨迹左右对称，则粒子在磁场B1中的运动时间为
粒子在磁场B2中的运动时间为：×10-7 s     
带电粒子在磁场中运动的最长时间为tmax=t1+t2=5.2×10-7s
随着磁场B1逐渐增大，带电粒子在磁场中的运动时间先增大后减小，当B1达到最大值时，运动半径为
此时带电粒子在B1磁场中运动的时间为
若B1=0时，带电粒子在B1、B2磁场中运动的总时间为
所以带电粒子在磁场中的最短运动时间为
t1′=1.26×10-7s       
答：（1）0～0.8s时间内B1的值小于0.4T，粒子运动半径大于l1，这段时间从O发射的粒子将进入磁感应强度B2的区域；
（2）带电粒子打在磁场上边界MN上的x坐标范围是到之间；
（3）在MN以下整个磁场区域内，单个带电粒子运动的最长时间和最短时间分别是5.2×10-7s，1.26×10-7s