Question

13．如图所示，直角坐标系xoy位于竖直平面内，在?$\sqrt{3}$m≤x≤0的区域内有磁感应强度大小B=4.0×10^-4T、方向垂直于纸面向里的条形匀强磁场，其左边界与x轴交于P点；在x＞0的区域内有电场强度大小E=4N/C、方向沿y轴正方向的条形匀强电场，其宽度d=2m．一质量m=6.4×10^-27kg、电荷量q=-3.2×10?19C的带电粒子从P点以速度v=4×10⁴m/s，沿与x轴正方向成α=60°角射入磁场，经电场偏转最终通过x轴上的Q点（图中未标出），不计粒子重力．求：
（1）带电粒子在磁场中运动时间；
（2）当电场左边界与y轴重合时Q点的横坐标；
（3）若只改变上述电场强度的大小，要求带电粒子仍能通过Q点，讨论此电场左边界的横坐标x′与电场强度的大小E′的函数关系．

Answer 1

分析 （1）粒子在匀强磁场中由洛伦兹力提供向心力，做匀速圆周运动，由牛顿第二定律求出半径，作出轨迹，由几何知识找出圆心角，求出运动时间．
（2）粒子进入匀强电场，只受电场力，做类平抛运动，根据运动的分解，求出粒子离开电场时的速度偏向角为θ，由数学知识求出Q点的横坐标．
（3）讨论当0＜x′＜3m时，Q点在电场外面右侧，画出轨迹，研究速度偏向角，求出横坐标x′与电场强度的大小E′的函数关系．
当3m≤x'≤5m时，Q点在电场里，画出轨迹，研究偏转距离y，求出横坐标x′与电场强度的大小E′的函数关系．

解答 解：（1）带电粒子在磁场中做匀速圆周运动，洛伦兹力提供向心力，
由牛顿第二定律得：$qvB=\frac{{m{v^2}}}{r}$，代入数据得：r=2m，
轨迹如图1交y轴于C点，过P点作v的垂线交y轴于O₁点，
由几何关系得O₁为粒子运动轨迹的圆心，且圆心角为60°．
在磁场中运动时间：$t=\frac{T}{6}=\frac{1}{6}×\frac{2πm}{qB}$，代入数据得：t=5.23×10^-5s；
（2）带电粒子离开磁场垂直进入电场后做类平抛运动，
设带电粒子离开电场时的速度偏向角为θ，如图1，
则：$tanθ=\frac{v_y}{v}=\frac{Eqd}{{m{v^2}}}=\frac{{4×3.2×{{10}^{-19}}×2}}{{6.4×{{10}^{-27}}×16×{{10}^8}}}=\frac{1}{4}$，
设Q点的横坐标为x，则：$tanθ=\frac{1}{x-1}=\frac{1}{4}$，解得：x=5m．
（3）电场左边界的横坐标为x′．
当0＜x′＜3m时，如图2，设粒子离开电场
时的速度偏向角为θ′，
则：$tanθ'=\frac{E'qd}{{m{v^2}}}$，
又：$tanθ'=\frac{1}{4-x'}$，
由上两式得：$E'=\frac{16}{4-x'}$，
当3m≤x'≤5m时，如图3，有：
$y=\frac{1}{2}a{t^2}=\frac{{E'q{{（5-x'）}^2}}}{{2m{v^2}}}$，
将y=1m及各数据代入上式得：$E'=\frac{64}{{{{（5-x'）}^2}}}$；
答：（1）带电粒子在磁场中运动时间为t=5.23×10^-5s．
（2）当电场左边界与y轴重合时Q点的横坐标x=5m．
（3）电场左边界的横坐标x′与电场强度的大小E′的函数关系为：当0＜x′＜3m时，E′=$\frac{16}{4-x′}$，
   当3m≤x'＜5m时，E′=$\frac{64}{（5-x′）^{2}}$；

点评 本题是磁场和电场组合场问题，考查分析和解决综合题的能力，关键是运用几何知识画出粒子的运动轨迹．