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题型:解答题 题类: 难易度:困难

浙江省杭州市浙南联盟2024-2025学年高三上学期10月月考物理试题

亥姆霍兹线圈是一种产生匀强磁场的器件,其结构主要由一对平行的完全相同的圆形线圈组成,两线圈通入方向相同的恒定电流后,在线圈间足够大的区域形成平行于中心轴线的匀强磁场。沿建立x轴,一圆形接收屏接地并垂直于x轴放置,其圆心位于x轴上的P点,圆形接收屏可沿x轴方向左右移动,如图所示。在两线圈间的区域加上平行于x轴的匀强电场,粒子源从x轴上的O点以垂直于x轴的方向持续发射初速度大小为的粒子,已知粒子质量为m,电荷量为q(),电场强度大小为E,磁感应强度大小为B,电场和磁场均沿x轴正方向,不计粒子重力和粒子间相互作用。

(1)、①沿x轴正向从左向右观察,判断亥姆霍兹线圈通入电流的方向为顺时针还是逆时针?

②未加电场时,粒子在线圈间做匀速圆周运动,求粒子做圆周运动的半径r;

(2)、若粒子源在垂直于x轴的平面内,沿各向持续均匀发射速度大小均为的粒子,单位时间发射的粒子数为n,粒子打到接收屏后被立即吸收,圆形接收屏的半径

①若要使所有粒子恰好打在接收屏的中心,求OP间的最小距离

②若OP间的距离为 , 求接收屏所受粒子作用力的大小。

举一反三
在空间中一足够长圆柱形区域内存在匀强磁场,磁场的方向沿轴线向右,磁感应强度为 , 在轴线上有一粒子源,可以每秒发射N个质量为m,电荷量为+q,速度为的粒子。不计重力和粒子间的相互作用力。

(1)如图1所示,使粒子源沿垂直轴线的方向发射粒子,粒子恰好不会飞出磁场区域,求磁场区域的半径R;

(2)如图2所示,在磁场区域半径满足(1)的前提下,在右侧磁场范围内垂直轴线放一块足够大收集板A,将大量粒子沿与轴线成向右射出,为保证所有粒子在A上均汇聚于一点,求粒子源到极板A的水平距离;

(3)如图3所示,大量粒子沿与轴线成向右均匀射出,粒子源到A的距离满足(2)问,在A的中心挖一小孔,可使粒子通过。将收集板B平行放置于A右侧,并在AB极板间加上电压。粒子打在B板上即被完全吸收,求收集板B所受的作用力F与极板间电压的关系;

(4)实验室中,常利用亥姆霍兹线圈产生匀强磁场,当一对亥姆霍兹线圈间的距离增大时,即可生成磁感应强度随空间缓慢变化的磁场,如图4所示,其磁感应强度两端强,中间弱。带电粒子可以在端点处“反射”而被束缚其中,即“磁约束”。粒子的运动满足如下规律:带电粒子在垂直磁场方向的速度分量与此处的磁感应强度B之间满足: , 现假设该磁场中的最大磁感应强度和最小磁感应强度之比为 , 在该磁场的中部最弱区域有一带电粒子源,与轴线成发射粒子束,要使这些粒子能被束缚在该磁场区域,求的最小值。

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