Question

 不可伸长的绝缘轻绳长为，一端系于O点，另一端系一质量为、电量为的点电荷，点电荷可在平面内绕O点做半径为的圆周运动，如图甲所示，本题计算中忽略点电荷的重力。

  （1）当点电荷以速率沿方向通过A（R，0）点的瞬间，在空间中加沿轴正方向的匀强电场，如图乙所示，要使点电荷能做完整的圆周运动，电场强度需满足何条件？

  （2）在（1）问中，其他条件不变，将空间中的电场用垂直平面向里的匀强磁场代替，如图所示，要使点电荷仍能做半径为的圆周运动，磁感应强度需满足何条件？

   （3）变化的磁场周围可以激发感生电场，若上述磁场随时间均匀变化，会在点电荷运动的圆形轨道上产生一个环形电场，其电场线是闭合的，各点场强大小相等。现在空间加一垂直平面向里的匀强磁场，其磁感应强度B变化情况如图丁所示，时刻点电荷的速率为，轻绳一直处于伸直状态。试求时间内，轨道中形成的感生电场的大小，并在图戊中作出点电荷在时间内图像，要求写出主要的分析过程。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Answer 1

 

   （1）分析可知，点电荷运动到最左端绳子张力最小，设此时速度大小为v

    由动能定理  （2分）

    在最左端时       （1分）

得     （1分）

当时，点电荷能做完整圆周运动，解得（1分）

   （2）磁场垂直纸面向内，对点电荷产生的洛伦兹力始终指向O点，

    对任一点进行受力分析有      （1分）

    得  （1分）

    当时，点电荷能做完整的圆周运动，解得（1分）

   （3）0至T时间内磁场均匀变化，激发的感生电动势为E，则

    （2分）

感生电场的场强（1分）

①0~T时间内，磁场均匀增加，感生电场的场强大小一定，点电荷在圆形轨道上作匀加速圆周运动，加速度大小

经时间T后，速度大小（1分）

②T~2T时间内磁场不变，感生电场的场强为零，点电荷在圆形轨道上作匀速圆周运动，速率v₁不变。

③2T~4T时间内磁场均匀减小，感生电场的场强大小一定，点电荷在圆形轨道上作匀

减速圆周运动，加速度大小

    经时间2T后，……1分

    ④4T～5T时间内磁场变，感生电场的场强为零，点电荷在圆形轨道上作匀速圆周运动，速率不变。……1分

    根据以上结果，作图如下。……1分