2023年12月1日晚间,绚丽的极光现身北京市门头沟区。极光是由太阳抛射出的高能带电粒子受到地磁场作用,在地球南北极附近与大气碰撞产生的发光现象。从北极地区看赤道平面的地磁场,可简化为下图:
O为地球球心,
R为地球半径,将地磁场在半径为
R到3
R之间的圆环区域看成是匀强磁场,磁感应强度为
B。假设高能粒子的质量为
m,电荷量为

。不计粒子重力及大气对粒子运动的影响,且不考虑相对论效应。
(1)若高能粒子从
A点以速度

沿切线进入磁场边界位置时,粒子恰好绕着磁场边界做圆周运动,求粒子的速度

的大小。
(2)地球磁层是保护地球的一道天然屏障,它阻挡着高能粒子直接到达地球表面,从而保护了地球上的生态环境。
a.假设高能粒子从磁场边缘
A点以速率
v沿半径方向射入磁场时恰不能到达地球表面,求粒子的比荷

;
b.高能粒子实际上可在赤道平面内向各个方向均匀地射入磁场。若高能粒子仍以速率
v射入地球磁场,求到达地球粒子数与进入地磁场粒子总数比值

。(结果用反三角函数表示,例:

,则

,
θ为弧度)
