3.在
坐标系中,第二象限有一粒子发生器,其右侧放置速度选择器,速度选择器中电场强度大小为
,方向沿
轴负方向,匀强磁场方向垂直
面向里;
)与
轴正半轴所围区域I中充满垂直
面向外的匀强磁场;
轴下方为区域Ⅱ、第一象限为区域Ⅲ,两区域均充满方向垂直
面向里的匀强磁场,磁感应强度大小分别为
和
。质量为
、电荷量为
的粒子
经速度选择器后以速率
从点
沿
轴正方向进入区域Ⅰ,一段时间后恰好从原点
沿
轴负方向进入区域Ⅱ、不计粒子重力及粒子间相互作用。

(1)求速度选择器中磁感应强度大小
和区域Ⅰ中磁感应强度大小
;
(2)求粒子
从
点运动到
点
的时间
;
(3)当粒子
从点
离开区域Ⅱ进入区域Ⅲ时,和
电荷量相同的粒子
恰好从
点以速率
沿
轴负方向进入区域Ⅱ,若粒子
、
在
轴相遇且相遇时速度都沿
轴正方向,求粒子
的质量
及第一次相遇时的
轴坐标
。

【详解】(1)粒子在速度选择器中做直线运动,有
解得
粒子在区域Ⅰ中做匀速圆周运动,由几何关系得轨迹半径
,根据
解得
(2)根据
可知,粒子在区域Ⅱ、Ⅲ中的轨迹半径分别为
画出粒子运动轨迹图

可知从
点进入区域Ⅱ,经半圆到达
再根据
可知
到
运动时间
从
点进入区域Ⅲ,经半圆到达
,时间
从
点再次进入区域Ⅱ,经半圆到达
,时间
则总时间
(3)画出粒子
、
的运动轨迹如图

区域Ⅱ:
粒子半径
粒子半径
粒子半周期
粒子半周期
区域Ⅲ:
粒子半径
粒子半径
粒子半周期
粒子半周期
粒子每完成一次“区域Ⅱ下半圆+区域Ⅲ上半圆”的运动,
坐标的净变化
同理
所花时间
同理
取粒子
从
点沿
轴负方向进入区域Ⅱ的时刻为
,粒子
第1次速度向上点:在区域Ⅱ中走下半圆到达
轴
坐标
时间
此后每经过一次区域Ⅲ上半圆和一次区域Ⅱ下半圆,到达下一个速度向上点。设第
次速度向上点
则
粒子
在
到达第一次向上点(即
)时,从
点以同样速率沿
轴负方向进入区域Ⅱ、b的起始时刻为
粒子
第1次速度向上点(绝对时刻):
先在区域Ⅱ走下半圆
坐标
时刻
同理,第
次速度向上点
有
由相遇条件
得
两式相除消去
得
最小正整数解为
代入得
夜雨聆风