Question

如图所示，直线MN下方无磁场，上方空间存在两个匀强磁场，其分界线是半径为R的半圆，两侧的磁场方向相反且垂直于纸面，磁感应强度大小都为B．现有一质量为m、电荷量为q的带负电微粒从P点沿半径方向向左侧射出，最终打到Q点，不计微粒的重力．求：
（1）微粒在磁场中运动的周期；
（2）从P点到Q点，微粒的运动速度大小及运动时间；
（3）若向里磁场是有界的，分布在以O点为圆心、半径为R和2R的两半圆之间的区域，上述微粒仍从P点沿半径方向向左侧射出，且微粒仍能到达Q点，求其速度的最大值．

Answer

（1）带电粒子在磁场中只受洛伦兹力，粒子在磁场中做匀速圆周运动．由牛顿第二定律和圆周运动规律求出周期．
（2）根据题意作出粒子可能的运动轨迹，由牛顿第二定律与数学知识分析答题．
（3）由几何知识分析轨迹半径的最大值，由半径公式求出速度的最大值．
【解析】
（1）由qvB=m及T=得：
微粒在磁场中运动的周期  T=．
（2）令n表示带电粒子在磁场中运动时的圆心个数，则
由几何关系可知，微粒运动的轨道半径r应满足：r=Rtan，（n=2，3，4，5，…），
结合（1）可知，v==，（n=2，3，4，5，…）；
相应的运动轨迹所对应的圆心角φ满足：
①当n为偶数时，φ=（2π-）+=nπ；（n=2，4，6，8，…）
②当n为奇数时，φ=（2π-）+=；（n=3，5，7，9，…）
对应的运动时间t满足：
①当n为偶数时，t==，（n=2，4，6，8，…）；
②当n为奇数时，t==；（n=3，5，7，9，…）
（3）由几何关系可知，rn+≤2R，（n=2，3，4，5，…）；
得：当n=3时，r可取满足条件的最大值，rmax=，
相应的粒子速度vmax=．
相应的运动轨迹如图所示．

答：
（1）微粒在磁场中运动的周期为；
（2）从P点到Q点，微粒的运动速度大小为，（n=2，3，4，5，…）；对应的运动时间；①当n为偶数时，t==，（n=2，4，6，8，…）；②当n为奇数时，t==；（n=3，5，7，9，…）
（3）速度的最大值是．