如图，ABCD是边长为a的正方形．质量为m、电荷量为e的电子以大小为v0的初速度沿纸面垂直于BC变射入正方形区域．在正方形内适当区域中有匀强磁场．电子从BC边上的任意点入射，都只能从A

Question

如图，ABCD是边长为a的正方形．质量为m、电荷量为e的电子以大小为v₀的初速度沿纸面垂直于BC变射入正方形区域．在正方形内适当区域中有匀强磁场．电子从BC边上的任意点入射，都只能从A点射出磁场．不计重力，求：

（1）此匀强磁场区域中磁感应强度的方向和大小；
（2）此匀强磁场区域的最小面积．

Answer 1

（1）设匀强磁场的磁感应强度的大小为B．令圆弧

AEC

是自C点垂直于BC入射的电子在磁场中的运行轨道．电子所受到的磁场的作用力f=ev₀B
应指向圆弧的圆心，因而磁场的方向应垂直于纸面向外．圆弧

AEC

的圆心在CB边或其延长线上．依题意，圆心在A、C连线的中垂线上，故B 点即为圆心，圆半径为a按照牛顿定律有m(v20)/(a)
联立①②式得B＝(mv0)/(ea)
（2）由（1）中决定的磁感应强度的方向和大小，可知自C点垂直于BC入射电子在A点沿DA方向射出，且自BC边上其它点垂直于入射的电子的运动轨道只能在BAEC区域中．因而，圆弧

AEC

是所求的最小磁场区域的一个边界．
为了决定该磁场区域的另一边界，我们来考察射中A点的电子的速度方向与BA的延长线交角为θ（不妨设0≤θ＜(π)/(2)）的情形．该电子的运动轨迹qpA如图所示．
图中，圆

AP

的圆心为O，pq垂直于BC边，由③式知，圆弧

AP

的半径仍为a，在D为原点、DC为x轴，AD为y轴的坐标系中，P点的坐标（x，y）为x=asinθ
y=-[a-（a-acosθ）]=-acosθ
这意味着，在范围0≤θ≤(π)/(2)内，p点形成以D为圆心、a为半径的四分之一圆周

AFC

，它是电子做直线运动和圆周运动的分界线，构成所求磁场区域的另一边界．
因此，所求的最小匀强磁场区域时分别以B和D为圆心、a为半径的两个四分之一圆周

AEC

和

AFC

所围成的，其面积为S＝2((1)/(4)πa2−(1)/(2)a2)＝(π−2)/(2)a2