14.2021年5月28日凌晨,中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置(如圖)創(chuàng)造新的世界紀錄,向核聚變能源應(yīng)用邁出了重要的一步。現(xiàn)有一個控制粒子運動的簡化模型,如圖所示,同一平面內(nèi)存在兩同心圓形邊界,圓心在O點,半徑分別為R
1=1m、R
2=2m,中間圓形區(qū)域內(nèi)沒有磁場,只有環(huán)形區(qū)域內(nèi)分布著方向垂直于紙面向里、磁感應(yīng)強度大小為B=0.4T的勻強磁場。在圓心O點有一可看成質(zhì)點的粒子源,只在與磁場垂直的平面內(nèi)朝各個方向源源不斷地放出相同種類的帶正電的粒子,各粒子的速度大小不一定相同,不計粒子重力、粒子間的相互作用和粒子間碰撞,不考慮相對論效應(yīng),粒子比荷
C/kg。
(1)沿垂直紙面向里方向看,粒子進入磁場后是順時針方向運動還是逆時針方向運動;若某個粒子的速度大小v
1=1.6×10
7m/s,則該粒子進入環(huán)形磁場區(qū)域后,在磁場中運動的軌道半徑r
1多大;
(2)若剛好沒有粒子穿出環(huán)形磁場的外圓形邊界,求粒子在磁場中運動的最大速度;
(3)若有大量這樣相同的粒子源分布在以O(shè)為圓心,以
為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)(圖中未畫出),所有粒子源射出粒子的速度方向都只分布在與磁場垂直的平面內(nèi),要使粒子源放出的所有粒子都不能穿出外部圓形磁場邊界,若磁感應(yīng)強度B=0.4T不變,則粒子源放射的粒子最大速度不能超過多少?