题目内容
如图所示,直角坐标系xoy位于竖直平面内,在‑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轴正方向的有界匀强电场,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:
⑴带电粒子在磁场中运动的半径和时间;
⑵当电场左边界与y轴重合时Q点的横坐标;
⑶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。
⑴带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,根据牛顿第二定律 有
(1分)代入数据得: (1分)
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°。 (1分)
在磁场中运动时间 代入数据得:t=5.23×10-5s (1分)
⑵带电粒子离开磁场垂直进入电场后做类平抛运动
方法一:粒子在电场中加速度(1分)
运动时间 (1分)
沿y方向分速度 (1分)
沿y方向位移 (1分)
粒子出电场后又经时间t2达x轴上Q点
故Q点的坐标为 (1分)
方法二:设带电粒子离开电场时的速度偏向角为θ,如图1,则:
(2分)
设Q点的横坐标为x
则: (2分)
故x=5m。 (1分)
⑶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: (2分)
又: (2分)
由上两式得: (1分)
当3m≤≤5m时,如图3,
有 (2分)
将y=1m及各数据代入上式得:
(2分)
解析:略