题目内容

【题目】如图,光滑水平桌面上有一个矩形区域abcd,bc长度为2L,cd长度为1.5L,e、f分别为ad、bc的中点。efcd区域存在竖直向下的匀强磁场,磁感应强度为B;质量为m、电荷量为+q的绝缘小球A静止在磁场中f点。abfe区域存在沿bf方向的匀强电场,电场强度为;质量为km的不带电绝缘小球P,以大小为的初速度沿bf方向运动。P与A发生弹性正碰,A的电量保持不变,P、A均可视为质点。

(1)求碰撞后A球的速度大小;

(2)若A从ed边离开磁场,求k的最大值;

(3)若A从ed边中点离开磁场,求k的可能值和A在磁场中运动的最长时间。

【答案】(1)(2)1(3)或;

【解析】

(1)设P、A碰后的速度分别为vP和vA,P碰前的速度为

由动量守恒定律:

由机械能守恒定律:

解得:

(2)设A在磁场中运动轨迹半径为R, 由牛顿第二定律得:

解得:

由公式可得R越大,k值越大

如图1,当A的轨迹与cd相切时,R为最大值,

求得k的最大值为

(3)令z点为ed边的中点,分类讨论如下:

(I)A球在磁场中偏转一次从z点就离开磁场,如图2有

解得:

由可得:

(II)由图可知A球能从z点离开磁场要满足,则A球在磁场中还可能经历一次半圆运动后回到电场,再被电场加速后又进入磁场,最终从z点离开。

如图3和如图4,由几何关系有:

解得:或

由可得:或

球A在电场中克服电场力做功的最大值为

当时,,由于

当时,,由于

综合(I)、(II)可得A球能从z点离开的k的可能值为:或

A球在磁场中运动周期为

当时,如图4,A球在磁场中运动的最长时间

即

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