题目内容

7.直角坐标系对应的坐标空间中有场强为E的匀强电场,方向竖直向下;磁感应强度为B的匀强磁场,方向垂直纸面向内,y轴为两种场的分界面,图中虚线为磁场区域的右边界,现有一质量为m,电荷量为-q的带负电的粒子从电场中坐标位置(-L,0)处,以初速度V0沿X轴正方向开始运动,且已知L=$\frac{m{v}_{0}^{2}}{qE}$(重力不计).求:
(1)粒子刚进入磁场时的速度
(2)粒子刚进入磁场时的位置坐标
(3)粒子进入磁场后的偏转半径(圆周运动的半径)
(4)要使带电粒子不能从右侧虚线边界飞出磁场区域,磁场的宽度d应满足的条件.

分析 (1)粒子在电场中做类平抛运动,根据牛顿第二定律与运动学速度公式,结合运动的合成与分解的规律,即可求解;
(2)由位移时间公式求出粒子刚进入磁场时的位置坐标.
(3)由牛顿第二定律,洛伦兹力提供向心力,列式即可求解;
(4)根据图的几何关系,确定已知长度与半径的关系,从而即可求解.

解答 解:(1)带电粒子在电场中做类平抛运动,设电场(Y轴)方向上的加速度为a,
由牛顿运动定律得:Eq=ma
设Y轴方向的分速度为VY,出电场时的速度为V,
则:
由 L=v0t
   vy=at
得 vy=v0
所以粒子刚进入磁场时合速度大小为:v=$\sqrt{2}{v}_{0}$,v与Y轴方向的夹角为45°.
(2)在电场中,水平方向有:L=v0t;竖直方向有:y=$\frac{{v}_{y}}{2}t$=$\frac{{v}_{0}}{2}$t
则得 y=$\frac{1}{2}$L
故粒子刚进入磁场时的位置坐标为(0,$\frac{1}{2}$L)
(3)在磁场中,由洛伦兹力提供向心力:Bqv=m$\frac{{v}^{2}}{R}$
则 R=$\frac{mv}{qB}$=$\frac{\sqrt{2}m{v}_{0}}{qB}$
(4)由右图知要使带电粒子不能从右侧虚线边界飞出磁场区域,磁场的宽度d应满足的条件 d>R(1+cosθ),
则由上面半径R和角度的大小得:
要使带电粒子不能从右侧虚线边界飞出磁场区域,磁场的宽度d应满足的条件 d>$\frac{(1+\sqrt{2})m{v}_{0}}{qB}$.
答:
(1)带电粒子离开电场时的速度大小为$\sqrt{2}{v}_{0}$.与Y轴方向的夹角为45°.
(2)粒子刚进入磁场时的位置坐标是(0,$\frac{1}{2}$L).
(3)粒子进入磁场后的偏转半径是$\frac{\sqrt{2}m{v}_{0}}{qB}$.
(4)要使带电粒子不能从右侧虚线边界飞出磁场区域,磁场的宽度d应满足的条件是d>$\frac{(1+\sqrt{2})m{v}_{0}}{qB}$.

点评 考查粒子做类平抛运动与匀速圆周运动,掌握处理类平抛运动与匀速圆周运动的处理方法及其规律的应用,注意画出运动图,及搞清求运动时间时的圆心角.

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