题目内容

15.如图所示,在xOy直角坐标系的第三象限内有平行于x轴的水平匀强电场,在第一象限有垂直于纸面向外的水平匀强磁场B.一带正电荷量为q、质量为m的粒子,从电场中A点沿y轴正方向以速度v0射入电场,从原点O飞出电场,粒子从O点进入磁场后经过一段时间撤去磁场,发现粒子从x轴上的P点飞出,飞出时的速度方向与x轴正方向成15°角,已知A点坐标为(-$\frac{L}{2}$,-L),不计粒子的重力,已知cos15°=$\frac{\sqrt{6}+\sqrt{2}}{4}$,sin15°=$\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4}$.求:
(1)匀强电场的电场强度E的大小.
(2)撤去磁场时粒子所在位置的坐标.
(3)粒子从O点运动至P点所用的时间t.

分析 (1)粒子在电场中做类平抛运动,由类平抛运动规律求出电场强度.
(2)粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二定律求出力的在轨道半径,根据题意求出粒子在磁场中转过的角度,然后求出粒子的位置坐标.
(3)根据粒子转过的角度与粒子的周期公式求出粒子的运动时间.

解答 解:(1)粒子在电场中做类平抛运动,
水平方向:$\frac{L}{2}$=$\frac{1}{2}$$\frac{qE}{m}$t2,
竖直方向:L=v0t,
解得:E=$\frac{m{v}_{0}^{2}}{qL}$;
(2)粒子在磁场中做类平抛运动,
粒子进入磁场时与x正方向间的夹角为θ,
则:tanθ=$\frac{{v}_{0}}{{v}_{x}}$=$\frac{{v}_{0}}{\frac{qE}{m}×\frac{L}{{v}_{0}}}$=1,则θ=45°,

粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,
由牛顿第二定律得:qv0B=m$\frac{{v}_{0}^{2}}{r}$,解得:r=$\frac{m{v}_{0}}{qB}$,
由于粒子飞出时的速度方向与x轴正方向成15°角,所以撤去磁场时粒子的速度方向与x轴正方向成15°角,
由几何知识可得,撤去磁场时粒子所在位置的坐标:
x=rcos45°+rsin15°,解得:x=$\frac{\sqrt{2}+\sqrt{6}}{4}$$\frac{m{v}_{0}}{qB}$,
y=rcos15°-rsin45°,解得:y=$\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4}$$\frac{m{v}_{0}}{qB}$;
(3)由几何知识可知,粒子在磁场中转过的圆心角:α=60°,
粒子在磁场中做圆周运动的周期:T=$\frac{2πm}{qB}$,
粒子做圆周运动所用的时间:t1=$\frac{α}{360°}$T=$\frac{60°}{360°}$×$\frac{2πm}{qB}$=$\frac{πm}{3qB}$,
粒子从撤去磁场后到到达x轴所经过的位移为s=$\frac{y}{sin15°}$=$\frac{m{v}_{0}}{qB}$,
此过程所用的时间为:t2=$\frac{s}{v}$=$\frac{s}{\frac{{v}_{0}}{sin45°}}$=$\frac{\sqrt{2}m}{2qB}$.
所以粒子从O点运动至P点所用的时间t=$\frac{2πm+3\sqrt{2}m}{6qB}$.
答:(1)匀强电场的电场强度E的大小为$\frac{m{v}_{0}^{2}}{qL}$.
(2)撤去磁场时粒子所在位置的坐标为($\frac{\sqrt{2}+\sqrt{6}}{4}$$\frac{m{v}_{0}}{qB}$,$\frac{\sqrt{6}-\sqrt{2}}{4}$$\frac{m{v}_{0}}{qB}$).
(3)粒子从O点运动至P点所用的时间t为$\frac{2πm+3\sqrt{2}m}{6qB}$.

点评 本题考查了粒子在电场与磁场中的运动,分析清楚粒子的运动过程,应用类平抛运动规律、牛顿第二定律与粒子的周期公式即可正确解题.

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