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:
得 所以: 或(n为奇数)
(以下同上)