题目内容

如图,水平地面上方有一底部带有小孔的绝缘弹性竖直档板,板高h=9m,与板等高处有一水平放置的篮筐,筐口的中心离挡板s=3m.板的左侧以及板上端与筐口的连线上方存在匀强磁场和匀强电场,磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度B=1T;质量、电量、直径略小于小孔宽度的带电小球(视为质点),以某一速度水平射入场中做匀速圆周运动,若与档板相碰就以原速率弹回,且碰撞时间不计,碰撞时电量不变,小球最后都能从筐口的中心处落入筐中,,求:

(1)电场强度的大小与方向;

    (2)小球运动的最大速率;

    (3)小球运动的最长时间。

解:(1)因小球能做匀速圆周运动,所以有:

      ┄┄┄┄┄┄┄┄┄3分

    方向竖直向下   ┄┄┄┄┄┄┄┄┄1分

(2)洛仑兹力提供向心力有:    且 ┄┄┄┄┄2分

           得:        ┄┄┄┄┄1分

小球不与挡板相碰直接飞入框中,其运动半径最大,如图1所示,由几何知识可得:

       ┄┄┄┄┄2分

    求得: ┄┄┄┄┄1分

5m/s┄┄┄┄┄1分

(3)因为速度方向与半径方向垂直,圆心必在档板的竖直线上 

设小球与档板碰撞n次,其最大半径为

        要击中目标必有:         

   

        n只能取0 ,  1  ┄┄┄┄┄   2分

        当n=0,即为(2)问中的解

        当n=1,时可得:

        ┄┄┄┄┄2分

解得:R1=3m, R2=3.75m  ┄┄┄┄2分

R1=3m时半径最小,其运动轨迹如图2中的轨迹①所示,其速度为:

3m/s  ┄┄┄┄┄1分

  即为所求的最小速度。

(其它解法同样给分,再提供两种解法)

(3)因为速度方向与半径方向垂直,圆心必在档板的竖直线上 

设小球与档板碰撞n次

      代入得

  

使R有解必须有     代入得

               可得           

        n只能取0,1  (以下同上)

(3)要求最小速度,需求最小半径,由几何关系得:

   或 ┄3分

整理得:

此方程R有解,则有:

  所以:   (n为奇数)

(以下同上)

 


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