Question

如图所示，一面积为S单匝圆形金属线圈与阻值为R的电阻连结成闭合回路，不计圆形金属线圈及导线的电阻．线

如图所示，一面积为S单匝圆形金属线圈与阻值为R的电阻连结成闭合回路，不计圆形金属线圈及导线的电阻．线圈内存在一个方向垂直纸面向内、磁感应强度均匀增加且变化率为k的磁场B t ．电阻两端并联一对平行金属板M、N，N板右侧xOy坐标系（坐标原点O在N板的下端）的第一象限内，有垂直纸面向外的匀强磁场，磁场边界OA和y轴的夹角∠AOy=45°，AOx区域为无场区．在靠近M板处的P点由静止释放一质量为m，带电量为+q的粒子（不计重力），经过N板的小孔，从Q（0，a）点垂直y轴进入第I象限，经OA上某点离开磁场，最后垂直x轴离开第I象限．求：（1）平行金属MN获得的电压U；（2）yOA区域匀强磁场的磁感应强度B；（3）若改变磁感应强度的大小，带电粒子进入磁场偏转后能打到N板的右侧，设粒子与N板碰撞前后电量保持不变并以相同的速率反弹，不计粒子与N板碰撞的作用时间，则带电粒子在磁场中运动的极限时间是多少？

Answer 1

（1）根据法拉第电磁感应定律，闭合电路的电动势为： E= △φ △t = △B △t ?S=kS ① 因MN与电阻并联，故MN获得的电压：U=U R =E=kS② （2）带电粒子在MN间做匀加速直线运动，有： qU= 1 2 mv   2 ③ 带电粒子进入磁场区域运动轨迹如图所示， 有： qvB=m v   2 r ④ 由几何关系得：r+rtan45°=a⑤ 由②③④⑤得： B= 2 a 2mks q ⑦ （3）设粒子运动圆周半径为r′， r′= mv qB ，当r′越小，最后一次打到N板的点的越靠近O点，在磁场中圆周运动累积路越大，时间越长，当r′为无穷小，经过n个半圆运动，最后一次打到O点，有： n= a 2r′ ⑧ 圆周运动周期： T= 2π?r′ v ⑨ 最长的根限时间： t m =n T 2 ⑨ 由②③⑧⑨⑩式得： t m = π?a 2v = π?a 2 m 2qkS ⑩ 答：（1）平行金属MN获得的电压kS；（2）yOA区域匀强磁场的磁感应强度 B= 2 a 2mks q ；（3）带电粒子在磁场中运动的极限时间是 π?a 2 m 2qkS ．