题目内容

7.如图所示,A是y轴上的一点,它到坐标原点O的距离为h;C是x轴上的一点,到O的距离为l.在坐标系xOy的第一象限中存在沿y轴正方向的匀强电场,场强大小为E.在其它象限中存在匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向里.一质量为m、电荷量为q的带负电的粒子以某一初速度沿x轴方向从A点进入电场区域,继而通过C点进入磁场区域,并再次通过A点.不计重力作用.试求:
(1)粒子经过C点时速度的大小和速度方向和x轴夹角的正切值;
(2)磁感应强度的大小B.

分析 (1)粒子在电场作用下做类平抛运动,加速度沿y轴负方向,根据平抛运动的基本公式可求出初速度,再根据圆周运动的对称性求出C点进入磁场时的速度为v,方向可通过几何关系求解.
(2)粒子从C点进入磁场后在磁场中做速率为v的圆周运动.理论重量通过向心力,通过几何关系表示出轨道半径R,进而求出.

解答 解:带电粒子的运动轨迹如图所示:

(1)以a表示粒子在电场作用下的加速度,有:qE=ma   ①加速度沿y轴负方向.
设粒子从A点进入电场时的初速度为v0,由A点运动到C点经历的时间为t,
则有:h=$\frac{1}{2}$at2   ②l=v0t     ③
由②③式得:v0=l$\sqrt{\frac{a}{2h}}$   ④
设粒子从C点进入磁场时的速度为v,v垂直于x轴的分量:v1=$\sqrt{2ah}$  ⑤
由①④⑤式得:v=$\sqrt{{v}_{0}^{2}+{v}_{1}^{2}}$=$\sqrt{\frac{qE(4{h}^{2}+{l}^{2})}{2mh}}$  ⑥
设粒子经过C点时的速度方向与x轴的夹角为α,则有:tanα=$\frac{{v}_{1}}{{v}_{0}}$ ⑦
由④⑤⑦式得:tanα=$\frac{2h}{l}$  ⑧
(2)粒子从C点进入磁场后在磁场中做速率为v的圆周运动.若圆周的半径为R,
则有:qvB=m$\frac{{v}^{2}}{R}$           ⑨
设圆心为P,则PC必与过C点的速度垂直,且有:$\overline{PC}$=$\overline{PA}$=R.用β表示$\overline{PA}$与y轴的夹角,
由几何关系得:Rcosβ=Rcosα+h ⑩Rsinβ=l-Rsinα⑪
由⑧⑩⑪式解得:R=$\frac{{h}^{2}+{l}^{2}}{2hl}$$\sqrt{4{h}^{2}+{l}^{2}}$⑫
由⑥⑨⑫式解得:B=$\frac{l}{{h}^{2}+{l}^{2}}$$\sqrt{\frac{2mhE}{q}}$.
答:(1)粒子经过C点时速度的大小是:$\sqrt{\frac{qE(4{h}^{2}+{l}^{2})}{2mh}}$,速度方向和x轴夹角的正切值是:$\frac{2h}{l}$;
(2)磁感应强度的大小为:$\frac{l}{{h}^{2}+{l}^{2}}$$\sqrt{\frac{2mhE}{q}}$.

点评 本题主要考查了带电粒子在混合场中运动的问题,要求同学们能正确分析粒子的受力情况,再通过受力情况分析粒子的运动情况,熟练掌握平抛运动和圆周运动的基本公式,并几何几何关系解题,难度较大.

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