题目内容
(16分)如图所示,xoy平面内,y轴左侧有方向竖直向下,电场强度为
N/C的匀强电场。在y轴右侧有一个边界为圆形的匀强磁场区域,圆心O′位于x轴上,半径为r=0.01m,磁场最左边与y轴相切于O点,磁感应强度为B=0.01T,方向垂直纸面向里。在坐标x0=0.06m处有垂直于x轴的足够大的荧光屏PQ。一束带正电的粒子从电场中的A点(图中未标出)以垂直于电场的初速度向右运动,穿出电场时恰好通过坐标原点,速度大小为v =2×106m/s,方向与x轴正向成30°角斜向下。已知粒子的质量为m =1.0×10-20kg,电量为q =1.0×10-10C,重力不计。
(1)求粒子出发点A的坐标;
(2)若圆形磁场可沿x轴向右移动,圆心O′仍在x轴上,由于磁场位置的不同,导致该粒子打在荧光屏上的位置也不同,求粒子打在荧光屏上的位置范围;
(3)若改变磁场半径,磁场最左边仍然与y轴相切于O点,当磁场半径至少为多大时,粒子就再也不能打到荧光屏上?
(1)粒子进入电场后沿做类平抛运动,在O点将v沿x、y方向分解得
(1分)
(1分)
粒子加速度为
(1分)
粒子从射入到O点的时间为
(1分)
粒子刚射入电场时A点的坐标分别为
(1分)
(1分) 即(
,
)
注:用其他方法只要正确均给分。
(2)洛仑兹力提供向心力
(2分)
由几何关系知粒子射出磁场的位置为C点,轨迹如图所示
粒子打在荧光屏最高点到x轴的距离为
(2分)
随着磁场向右移动,粒子打在荧光屏的位置逐渐下移,当v的方向与圆形磁场区域相切时,粒子打在荧光屏的最低点,此后,粒子将打在荧光屏的同一位置。
则最低点到x轴的距离为
(2分)
(3)如图所示,当粒子射出磁场时的速度平行于y轴时,将不再打到荧光屏上。O CE O′′为菱形, O′′E平行于x轴,由几何关系得,磁场半径至少为r=R=2×10-2m.(4分)
(只能作出草图给2分)