题目内容

11.如图所示,在匀强电场中建立直角坐标系xOy中,一质量为m、电荷量为+q的微粒从x轴上的M点射出,方向与x轴夹角为θ,微粒恰能以速度v做匀速直线运动,已知重力加速度为g.
(1)求匀强电场场强E的大小和方向;
(2)若再叠加一圆心在y轴的圆形匀强磁场,为使微粒能到达x轴上的N点,M、N两点关于原点O对称,微粒运动轨迹关于y轴对称.已知磁场的磁感应强度大小为B,方向垂直xOy平面向外,求磁场区域的最小面积S;
(3)若所叠加的圆形匀强磁场边界过坐标原点O,圆心仍在y轴上,M点距原点O的距离为L,为使进入磁场中的粒子刚好不能离开磁场,θ角与微粒的速度v应满足什么关系?

分析 (1)微粒恰能以速度v做匀速直线运动,受力平衡,根据平衡条件求场强E的大小;
(2)微粒运动轨迹也关于y轴对称,则粒子在磁场中的偏转角为2θ,磁场区域有最小面积S时,是以磁场中圆周运动的弦为直径的圆.
(3)当微粒在磁场中做圆周运动的半径r等于圆形磁场的半径R时,微粒刚好不能离开磁场;根据几何关系可明确θ角与微粒的速度v应满足的关系.

解答 解:
(1)微粒做匀速直线运动,则电场力与重力平衡
qE=mg       
则:E=$\frac{mg}{q}$
方向竖直向上       
(2)微粒进入磁场中,洛伦兹力充当向心力
qvB=m$\frac{{v}^{2}}{R}$
得:R=$\frac{mv}{qB}$
如图,当PQ为圆形磁场的直径时,圆形磁场面积最小,则   
r=Rsinθ=$\frac{mv}{qB}sinθ$
其最小面积为:S=πr2=$\frac{π{m}^{2}{v}^{2}si{n}^{2}θ}{{q}^{2}{B}^{2}}$
(3)微粒的速度与磁场边界相切进入磁场,
当微粒在磁场中做圆周运动的半径r等于圆形磁场的半径R时,
微粒刚好不能离开磁场,如图可得:
r=R=$\frac{mv}{qB}$
tan$\frac{θ}{2}$=$\frac{r}{L}$=$\frac{mv}{qBL}$
则 θ=2arctan$\frac{mv}{qBL}$ 
答:(1)求匀强电场场强E的大小为$\frac{mg}{q}$;方向竖直向上;
(2)磁场区域的最小面积S为$\frac{π{m}^{2}{v}^{2}si{n}^{2}θ}{{q}^{2}{B}^{2}}$
(3)θ角与微粒的速度v应满足θ=2arctan$\frac{mv}{qBL}$

点评 本题是带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,要求同学们能画出粒子运动的轨迹,结合几何关系求解,知道半径公式及何时所加磁场区域面积最小.此类题型一定要注意明确几何关系的正确应用.

练习册系列答案
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