题目内容

(2011?安徽)如图所示,在以坐标原点O为圆心,半径为R的半圆形区域内,有相互垂直的匀强电场和匀强磁场,磁感应强度为B,磁场方向垂直于xOy平面向里.一带正电的粒子(不计重力)从O点沿y轴正方向以某一速度射人,带电粒子恰好做匀速直线运动,经t0时间从P点射出.
(1)电场强度的大小和方向.
(2)若仅撤去磁场,带电粒子仍从O点以相同的速度射人,经
t02
时间恰从半圆形区域的边界射出,求粒子运动加速度大小
(3)若仅撤去电场,带电粒子仍从O点射入但速度为原来的4倍,求粒子在磁场中运动的时间.
分析:(1)带电粒子沿y轴做直线运动,说明粒子的受力平衡,即受到的电场力和磁场力大小相等,从而可以求得电场强度的大小;
(2)仅有电场时,带电粒子在匀强电场中作类平抛运动,根据类平抛运动的规律可以求得粒子运动加速度大小;
(3)仅有磁场时,入射速度v′=4v,带电粒子在匀强磁场中作匀速圆周运动,由几何关系可以求得圆周运动的半径的大小,由周期公式可以求得粒子的运动的时间.
解答:解:(1)设带电粒子的质量为m,电荷量为q,初速度为v,电场强度为E.可判断出粒子受到的洛伦磁力沿x轴负方向,于是可知电场强度沿x轴正方向
且有    qE=qvB                       ①
又     R=vt0                         ②
则     E=
BR
t0
?③
(2)仅有电场时,带电粒子在匀强电场中作类平抛运动
在y方向位移     y=v
t0
2
④
由②④式得   y=
R
2
                       ⑤
设在水平方向位移为x,因射出位置在半圆形区域边界上,于是
   x=
3
2
R                    
又有         x=
1
2
a(
t0
2
)
2
                 ⑥
得       a=
4
3
R
t
2
0
                      ⑦
(3)仅有磁场时,入射速度v′=4v,带电粒子在匀强磁场中作匀速圆周运动,
设轨道半径为r,由牛顿第二定律有
 qv′B=m
v′2
r
            ⑧
又  qE=ma                  ⑨
由③⑦⑧⑨式得     r=
3
3
R                 ⑩
由几何关系    sinα=
R
2r
                  (11)
即     sinα=
3
2
    
所以 α=
π
3
              (12)
带电粒子在磁场中运动周期
T=
2πm
qB

则带电粒子在磁场中运动时间
  tB=
2α
2π
T                                 
所以 tB=
3
π
18
t0             (13)
点评:本题考查带电粒子在匀强磁场中的运动,要掌握住半径公式、周期公式,画出粒子的运动轨迹后,几何关系就比较明显了.
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