题目内容
如图,在真空室内取坐标系Oxy,在x轴上方存在匀强电场,场强方向沿负y方向,x轴下方存在二个方向都垂直于纸面向外的匀强磁场区Ⅰ和Ⅱ,平行于x轴的虚线ab是它们的分界线,虚线上方(包括虚线处)的磁场区Ⅰ的磁感应强度B1=0.20T,虚线下方的磁场区Ⅱ的磁感应强度B2=0.10T,虚线与x轴相距d=4.0cm.在第一象限内有一点P,其位置坐标x=16.0cm、y=10.0cm.一带正电的粒子处于P点从静止释放,粒子的电荷量与质量之比
=5.0×107C/kg.为使粒子能通过坐标原点O,匀强电场的场强E必须满足什么条件?不计粒子的重力作用.
q | m |
分析:粒子从P点开始运动,可运用动能定理列式求得粒子进入磁场Ⅰ时的速度v.粒子进入磁场中由洛伦兹力提供向心力,根据牛顿第二定律列式可得到轨道半径的表达式.为使粒子能通过坐标原点O,有两种情况:
一种:若粒子没能进入磁场区Ⅱ而最后能通过坐标原点O,则粒子每次进入磁场区Ⅰ中运动都是转动半周后后就离开磁场进入电场,重复运动直到通过坐标原点O;
二种:若粒子能进入磁场区Ⅱ且最后能通过坐标原点O,则粒子的运动轨迹如图中(2)所示,A1和A2分别为粒子在磁场区Ⅰ和Ⅱ中做圆周运动的圆心;
根据几何知识求出粒子在磁场的轨道半径,即可求得E满足的条件.
一种:若粒子没能进入磁场区Ⅱ而最后能通过坐标原点O,则粒子每次进入磁场区Ⅰ中运动都是转动半周后后就离开磁场进入电场,重复运动直到通过坐标原点O;
二种:若粒子能进入磁场区Ⅱ且最后能通过坐标原点O,则粒子的运动轨迹如图中(2)所示,A1和A2分别为粒子在磁场区Ⅰ和Ⅱ中做圆周运动的圆心;
根据几何知识求出粒子在磁场的轨道半径,即可求得E满足的条件.
解答:解:粒子从P点开始运动,进入磁场区Ⅰ时的速度为v,由动能定理得 qEy=
mv2 ①
用R1、R2分别表示粒子在磁场区Ⅰ和区Ⅱ中运动的轨道半径,有
qvB1=m
②
qvB2=m
③
(1)若粒子没能进入磁场区Ⅱ而最后能通过坐标原点O,则粒子每次进入磁场区Ⅰ中运动都是转动半周后后就离开磁场进入电场,重复运动直到通过坐标原点O,粒子的一种运动轨迹如图中(1)所示,有
n?2R1=x ④
R1≤d ⑤
解得 R1=
cm(n=2,3,4…) ⑥
E=
V/m(n=2,3,4…) ⑦
(2)若粒子能进入磁场区Ⅱ且最后能通过坐标原点O,则粒子的运动轨迹如图中(2)所示,A1和A2分别为粒子在磁场区Ⅰ和Ⅱ中做圆周运动的圆心
在△A1CD中,有cosθ=
=
⑧
在△A1 A2F中,有 sinθ=
=
⑨
解得cosθ=0.6,R1=5.0cm ⑩
E=2.5×104V/m (11)
当匀强电场的场强E=2.5×104V/m或 E=
V/m(n=2,3,4…)时,粒子能通过坐标原点O.
答:匀强电场的场强E=2.5×104V/m或 E=
V/m(n=2,3,4…)时,粒子能通过坐标原点O.
1 |
2 |
用R1、R2分别表示粒子在磁场区Ⅰ和区Ⅱ中运动的轨道半径,有
qvB1=m
v2 |
R1 |
qvB2=m
v2 |
R2 |
(1)若粒子没能进入磁场区Ⅱ而最后能通过坐标原点O,则粒子每次进入磁场区Ⅰ中运动都是转动半周后后就离开磁场进入电场,重复运动直到通过坐标原点O,粒子的一种运动轨迹如图中(1)所示,有
n?2R1=x ④
R1≤d ⑤
解得 R1=
8.0 |
n |
E=
6.4×104 |
n2 |
(2)若粒子能进入磁场区Ⅱ且最后能通过坐标原点O,则粒子的运动轨迹如图中(2)所示,A1和A2分别为粒子在磁场区Ⅰ和Ⅱ中做圆周运动的圆心
在△A1CD中,有cosθ=
DC |
A1C |
d |
R1 |
在△A1 A2F中,有 sinθ=
FA1 |
A1A2 |
| ||
R2-R1 |
解得cosθ=0.6,R1=5.0cm ⑩
E=2.5×104V/m (11)
当匀强电场的场强E=2.5×104V/m或 E=
6.4×104 |
n2 |
答:匀强电场的场强E=2.5×104V/m或 E=
6.4×104 |
n2 |
点评:本题一考虑问题要全面,不能漏解,二要抓住圆周运动的周期性,通过画轨迹,得到半径的通项,进行求解.
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