题目内容

8.如图所示,在xoy平面内,第Ⅲ象限内的直线OM是电场与磁场的边界,OM与负x轴成45°角.在x<0且OM的左侧空间存在沿负x方向的匀强电场E=1000N/C; 在y<0且OM的右侧空间存在着垂直纸面向里的匀强磁场B=0.1T,磁感应强度垂直纸面向里.一不计重力的带负电的粒子,从坐标原点O沿y轴负方向以v0=2×104m/s的初速度进入磁场.已知粒子的比荷$\frac{q}{m}$=2×106c/kg,求:
(1)粒子在磁场中的运动半径;
(2)粒子从O点进入磁场到第二次经过磁场边界OM的时间;
(3)通过计算说明粒子是否能离开电磁场区域.

分析 (1)根据洛伦兹力提供向心力求出粒子在磁场中运动半径.
(2)根据粒子第一次在磁场中的圆心角求出粒子第一次在磁场中做圆周运动的时间,出磁场后,在电场中先匀减速然后匀加速出电场,结合牛顿第二定律和运动学公式求出在电场中的时间,从而得出粒子从O点进入磁场到第二次经过磁场边界OM的时间.
(3)微粒从C点沿y轴正方向进入电场,做类平抛运动,结合牛顿第二定律和运动学公式求出垂直电场方向上的位移,判断粒子能否离开电磁场区域.

解答 解:(1)带电微粒从O点射入磁场,运动轨迹如图.第一次经过磁场边界上的A点,
由$q{v}_{0}B=m\frac{{{v}_{0}}^{2}}{r}$得:r=$\frac{m{v}_{0}}{qB}=\frac{2×1{0}^{4}}{2×1{0}^{6}×0.1}$m=0.1m.
(2)设带电粒子在磁场中做圆周运动的周期为T,由轨迹图可知,粒子第一次进入磁场边界,将沿电场线进入电场,在电场中先匀减速再匀加速出电场
根据几何关系知,粒子第一次在磁场中做圆周运动的圆心角$θ=\frac{π}{4}$,
由  T=$\frac{2πm}{qB}$得:${t}_{1}=\frac{θ}{2π}T=\frac{T}{8}$,
根据牛顿第二定律得:
Eq=ma         
${t}_{2}=\frac{{v}_{0}}{a}$,
t=t1+2t2,
代入数据解得t=2.785×10-5s.
(3)微粒从C点沿y轴正方向进入电场,做类平抛运动
$△x=\frac{1}{2}a{{t}_{1}}^{2}=2r$,△y=v0t,
代入数据解得$△y=0.2\sqrt{2}m$,△y>0.2m.
粒子将到达第二象限并射出磁场,进入第一象限,说明粒子离开电磁场区域.
答:(1)粒子在磁场中运动的半径为0.1m.
(2)粒子从O点进入磁场到第二次经过磁场边界OM的时间为2.785×10-5s.
(3)粒子将到达第二象限并射出磁场,进入第一象限,说明粒子离开电磁场区域.

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,熟练掌握圆周运动及平抛运动的基本公式,难度适中.

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