题目内容

如图所示,在两个水平放置的平行金属板之间有竖直向上的匀强电场,电场强度为E.在两板之间及右侧有垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度均为B.有两个带电粒子_2H、_4He在同一竖直平面内,分别从左端以水平速度射入两平行板间,恰好都做匀速直线运动,射入点相距d=
2mE
eB2
.(已知e为元电荷的电荷量,m为质子质量,
 
2
1
H
、
 
4
2
He
的质量分别为2m,4m,不计重力和粒子之间的作用力).要使两粒子在离开平行金属板的竖直虚线后能相遇,求两粒子射入平行板的时间差△t.
分析:根据粒子受到电场力与洛伦兹力相平衡,可求出速度大小;再由洛伦兹力提供向心力,结合牛顿第二定律,则可求出运动的半径,根据几何关系,确定圆心角,最后结合周期公式,即可求解.
解答:解:如图所示,由于两粒子能匀速通过平行板,则有:
qvB=qE
解得:v=
E
B

两粒子的速度相等,通过平行板的时间相同,两粒子离开平行板后均做匀速圆周运动,轨迹如图所示.
由qvB=m
v2
r

解得:r=
mv
qB

故有:r1=
2mv
eB
=
2mE
eB2
=d

r2=
4mv
2eB
=
2mE
eB2
=d

因为r1=r2=d,所以必相遇在A点,因为△O1O2A为等边三角形,
所以
 
2
1
H
粒子在磁场中转过120°角,
 
4
2
He
粒子在磁场中转过600角.    
又由T=
2πm
qB
得:
T1=
4πm
eB
;
T2=
8πm
2eB
=
4πm
eB

所以△t=t1-t2=
T1
3
-
T2
6
=
T1
6
=
2πm
3eB

答:两粒子射入平行板的时间差△t=
2πm
3eB
.
点评:考查带电粒子受到电场力与洛伦兹力,做匀速直线运动与匀速圆周运动,掌握牛顿第二定律的应用,注意巧用几何关系确定运动轨迹对应的圆心角,并掌握运动的半径与周期公式.
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