利用电场和磁场，可以将比荷不同的离子分开，这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用。如图所示的矩形区域ACDG(AC边足够长)中存在垂直于纸面的匀强磁场

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利用电场和磁场，可以将比荷不同的离子分开，这种方法在化学分析和原子核技术等领域有重要的应用。如图所示的矩形区域ACDG(AC边足够长)中存在垂直于纸面的匀强磁场，A处有一狭缝。离子源产生的离子，经静电场加速后穿过狭缝沿垂直于GA边且垂直于磁场的方向射入磁场，运动到GA边，被相应的收集器收集。整个装置内部为真空，已知被加速的两种正离子的质量分别是m₁和m₂(m₁>m₂)，电荷量均为q。加速电场的电势差为U，离子进入电场时的初速度可以忽略。不计重力，也不考虑离子间的相互作用。
(1)求质量为m₁的离子进入磁场时的速率V₁。
(2)当磁感应强度的大小为B时，求两种离子在GA边落点的间距s。
(3)在前面的讨论中忽略了狭缝宽度的影响，实际装置中狭缝具有一定宽度。若狭缝过宽，可能使两束离子在GA边上的落点区域交叠，导致两种离子无法完全分离，设磁感应强度大小可调，GA边长为定值L，狭缝宽度为d，狭缝右边缘在A处，离子可以从狭缝各处射入磁场，入射方向仍垂直于GA边且垂直于磁场。为保证上述两种离子能落在GA边上并被完全分离，求狭缝的最大宽度。

答案

解：(1)加速电场对离子m₁做的功W=qU
由动能定理得

解得：

①
(2)由牛顿第二定律和洛伦兹力公式可得：

利用①式得离子在磁场中的轨道半径分别为：

②
两种离子在边GA上落点的间距为：

③
(3)质量为m₁的离子，在GA边上的落点都在其入射点左侧2R₁处，由于狭缝的宽度为d，因此落点区域的宽度也是d。同理，质量为m₂的离子在GA边上落点区域的宽度也是d
为保证两种离子能完全分离，两个区域应无交叠，条件为：2(R₁-R₂)>d ④
利用②式，代入④式：得

R₁的最大值满足2R_1m=L-d
得

求得最大值

举一反三

扭摆器是同步辐射装置中的插入件，能使粒子的运动轨迹发生扭摆。其简化模型如图：I、Ⅱ两处的条形匀强磁场区边界竖直，相距为L，磁场方向相反且垂直于纸面。一质量为m、电量为-q、重力不计的粒子，从靠***行板电容器MN板处由静止释放，极板间电压为U，粒子经电场加速后平行于纸面射入I区，射入时速度与水平方向夹角θ=30°。
(1)当I区宽度L₁=L、磁感应强度大小B₁=B₀时，粒子从I区右边界射出时速度与水平方向夹角也为30°，求B₀及粒子在I区运动的时间t。
(2)若Ⅱ区宽度L₂=L₁=L、磁感应强度大小B₂=B₁=B₀，求粒子在I区的最高点与Ⅱ区的最低点之间的高度差h。
(3)若L₂=L₁=L、B₁=B₀，为使粒子能返回I区，求B₂应满足的条件。
(4)若B₁≠B₂、L₁≠L₂，且已保证了粒子能从Ⅱ区右边界射入。为使粒子从Ⅱ区右边界射出的方向与从I区左边界射出的方向总相同，求B₁、B₂、L₁、L₂之间应满足的关系式。

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如图所示，正方形绝缘光滑水平台面WXYZ边长l=1.8 m，距地面h=0.8m，平行板电容器的极板CD间距d=0.1 m且垂直放置于台面，C板位于边界WX上，D板与边界WZ相交处有一小孔。电容器外的台面区域内有磁感应强度B=1 T、方向竖直向上的匀强磁场，电荷量q=5×10^-13 C的微粒静止于W处，在CD间加上恒定电压U=2.5 V，板间微粒经电场加速后由D板所开小孔进入磁场（微粒始终不与极板接触），然后由XY边界离开台面，在微粒离开台面瞬时，静止于X正下方水平地面上A点的滑块获得一水平速度，在微粒落地时恰好与之相遇，假定微粒在真空中运动，极板间电场视为匀强电场，滑块视为质点，滑块与地面间的动摩擦因数μ=0.2，取g=10 m/s²。
(1)求微粒在极板间所受电场力的大小并说明两板的极性。
(2)求由XY边界离开台面的微粒的质量范围。
(3)若微粒质量m₀=1×10^-13 kg，求滑块开始运动时所获得的速度。

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某仪器用电场和磁场来控制电子在材料表面上方的运动，如图所示，材料表面上方短形区域PP"N"N充满竖直向下的匀强电场，宽为d；短形区域NN"M"M充满垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B，长为3s，宽为s；NN"为磁场与电场之间的薄隔离层，一个电荷量为e、质量为m、初速度为零的电子，从P点开始被电场加速度经隔离层垂直进入磁场，电子每次穿越隔离层，运动方向不变，其动能损失是每次穿越前动能的10%，最后电子仅能从磁场边界M"N"飞出。不计电子所受重力。
(1)求电子第二次与第一次圆周运动半径之比。
(2)求电场强度的取值范围。
(3)A是M"N"的中点，若要使电子在A、M"间垂直于AM"飞出，求电子在磁场区域中运动的时间。

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如图甲，在x>0的空间中存在沿y轴负方向的匀强电场和垂直于xOy平面向里的匀强磁场，电场强度大小为E，磁感应强度大小为B，一质量为m，带电量为q(q>0)的粒子从坐标原点O处，以初速度v₀沿x轴正方向射入，粒子的运动轨迹见图甲，不计粒子的重力。
(1)求该粒子运动到y=h时的速度大小v；
(2)现只改变入射粒子初速度的大小，发现初速度大小不同的粒子虽然运动轨迹(y-x曲线)不同，但具有相同的空间周期性，如图乙所示；同时，这些粒子在y轴方向上的运动(y-t关系)是简谐运动，且都有相同的周期

I．求粒子在一个周期T内，沿x轴方向前进的距离s；
Ⅱ．当入射粒子的初速度大小为v₀时，其y-t图象如图丙所示，求该粒子在y轴方向上做简谐运动的振幅A，并写出y-t的函数表达式。

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某种加速器的理想模型如图甲所示：两块相距很近的平行小极板中间各开有一小孔a、b，两极板间电压U_ab的变化图象如图乙所示，电压的最大值为U₀、周期为T₀，在两极板外有垂直纸面向里的匀强磁场。若将一质量为m₀、电荷量为q的带正电的粒子从板内a孔处静止释放，经电场加速后进入磁场，在磁场中运行时间T₀后恰能再次从a孔进入电场加速，现该粒子的质量增加了

。（粒子在两极板间的运动时间不计，两极板外无电场，不考虑粒子所受的重力）
(1)若在t=0时将该粒子从板内a孔处静止释放，求其第二次加速后从b孔射出时的动能；
(2)现要利用一根长为L的磁屏蔽管（磁屏蔽管置于磁场中时管内无磁场，忽略其对管外磁场的影响），使图甲中实线轨迹（圆心为O）上运动的粒子从a孔正下方相距L处的c孔水平射出，请在图上的相应位置处画出磁屏蔽管；
(3)若将电压u_ab的频率提高为原来的2倍，该粒子应何时由板内a孔处静止开始加速，才能经多次加速后获得最大动能？最大动能是多少？

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