题目内容

5.如图所示,在xoy坐标系中,以(r,0)为圆心、r为半径的圆形区域内存在匀强磁场,磁场区域的圆心为O′,磁场的磁感应强度大小为B,方向垂直于纸面向里.在y>r的足够大的区域内,存在沿y轴负方向的匀强电场,场强大小为E.从O点以相同速率向不同方向发射质子,质子的运动轨迹均在纸面内,且质子在磁场中运动的轨迹半径也为r.已知质子的电荷量为q,质量为m,不计质子所受重与及质子间相互作用力的影响.
(1)求质子从O点射入磁场时速度的大小:
(2)若质子沿x轴正方向射入磁场,求质子从O点进入磁场到第二次离开磁场经历的时间.

分析 (1)质子在磁场中运动靠洛伦兹力提供向心力,通过轨道半径,根据牛顿第二定律求出质子射入磁场的速度.
(2)质子沿x轴正向射入磁场后,在磁场中运动了$\frac{1}{4}$个圆周后,以速度v逆着电场方向进入电场,原路径返回后,再射入磁场,在磁场中运动了$\frac{1}{4}$个圆周后离开磁场.求出粒子在磁场中运动的周期,从而求出粒子磁场中运动的时间,根据牛顿第二定律结合运动学公式求出粒子在电场中运动的时间,从而得出最终的总时间.

解答 解:(1)质子射入磁场后做匀速圆周运动,有:$qvB=m\frac{{v}^{2}}{r}$
得:$v=\frac{qBr}{m}$.
(2)质子沿x轴正向射入磁场后,在磁场中运动了$\frac{1}{4}$个圆周后,以速度v逆着电场方向进入电场,原路径返回后,再射入磁场,在磁场中运动了$\frac{1}{4}$个圆周后离开磁场.
在磁场中运动的周期:$T=\frac{2πr}{v}=\frac{2πm}{qB}$
质子在磁场中运动的时间:${t}_{1}=\frac{T}{2}=\frac{πm}{qB}$
进入电场后做匀变速直线运动,加速度大小:$a=\frac{qE}{m}$.
质子在电场中运动的时间:${t}_{2}=\frac{2v}{a}=\frac{2Br}{E}$
所求时间为:$t={t}_{1}+{t}_{2}=\frac{πm}{qB}+\frac{2Br}{E}$.
答:(1)质子射入磁场时速度的大小为$\frac{qBr}{m}$.
(2)质子从O点进入磁场到第二次离开磁场经历的时间为$\frac{πm}{qB}+\frac{2Br}{E}$.

点评 本题考查了粒子在匀强磁场和匀强电场中的运动,关键是理清粒子的运动规律,在磁场中做匀速圆周运动,进入电场速度方向与电场方向平行,先做匀减速直线运动,返回做匀加速直线运动.

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