题目内容

12.如图所示的直角坐标系中,在直线x=-2l0的y轴区域内存在两个大小相等、方向相反的有界匀强电场,其中x轴上方的电场的方向沿y轴负方向,x轴下方的电场方向沿y轴正方向.在电场左边界上A(-2l0,-l0)到C(-2l0,0)区域内,连续分布着电荷量为+q,质量为m的粒子.从某时刻起由A点到C点间的粒子,依次连续以相同的速度v0沿x轴正方向射入电场.若从A点射入的粒子,恰好从y轴上的A′(0,l0)沿x轴正方向射出电场,其轨迹如图所示.不计粒子的重力及它们间的相互作用.
(1)求匀强电场的电场强度E;
(2)求AC间还有哪些位置的粒子,通过电场后也能沿x轴正方向运动?

分析 (1)从A点射出的粒子沿x轴方向做匀速直线运动,可求运动时间,由于其射出电场时的速度沿初速度方向,并且入射点与出射点的纵坐标绝对值相等,可知粒子在两电场的运动具有对称性,在每个电场中的运动时间都是总时间的一半,利用沿电场方向的匀变速运动规律可解场强大小
(2)凡是射出电场后能沿x轴正方向运动的粒子,其出射时沿y方向的分速度必为零,可知其运动轨迹相对于x轴具有对称性,并且运动时间内沿x正方向的位移必为2l

解答 解:(1)从A点射出的粒子,由A到A'的运动时间为T,根据运动轨迹和对称性,x轴方向

2L0=V0T①
y轴方向${L_0}=\frac{1qE}{2m}{(\frac{T}{2})^2}$②
解得:$E=\frac{2mV_0^2}{{q{L_0}}}$③
(2)设到C点的距离为△y处射出的粒子通过电场后也没x轴正方向,粒子第一次达x轴用时△t,水平位移为△x,则△x=V0△t$△y=\frac{1}{2}\frac{qE}{m}{(△t)^2}$④
粒子从电场射出时的速度方向也将沿x轴正方向,则2L0=n•2△x⑤
解之得:$△y=\frac{1}{2}\frac{qE}{n}{(\frac{L_0}{{n{V_0}}})^2}=\frac{1}{n^2}{L_0}$⑥
即AC间y坐标为$y=-\frac{1}{n^2}{L_0}(n=1,2,3,…)$⑦
答:(1)匀强电场的电场强度为$\frac{2m{V}_{0}^{2}}{q{L}_{0}}$;
(2)即AC间y坐标为y=-$\frac{1}{{n}^{2}}$l0(n=1、2、3、)的粒子出电场后沿x轴正向运动

点评 本题关键是将粒子的运动沿着水平方向和竖直方向正交分解,然后根据牛顿运动定律和运动学公式列式分析求解;解题过程中要巧妙借用轨迹图分析

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