题目内容

如图所示,虚线PQ右侧有垂直于纸面向外的范围足够大的匀强磁场,磁感应强度为B,虚线PQ左侧是无场空间.MN是与PQ平行的挡板,其中心有一个小孔O.
(1)若电子(质量为m,电荷量为e)以垂直于PQ的初速度v0从小孔O向右射入,求电子在虚线PQ上的射入点和射出点之间的距离d.
(2)若在MN与PQ之间加一个与PQ方向平行的匀强电场,然后让电子仍以垂直于PQ的初速度v0从小孔O向右射入,通过该匀强电场后再进入匀强磁场,试讨论电子在虚线PQ上的射入点和射出点之间的距离d将如何变化?
分析:(1)电子以垂直与PQ的方向进入磁场后,洛伦兹力提供向心力,电子做匀速圆周运动,经过半个周期后从磁场中射出,电子在虚线PQ上的射入点和射出点之间的距离d恰好是圆的直径;
(2)若在MN与PQ之间加一个与PQ方向平行的匀强电场,让电子仍以垂直于PQ的初速度v0从小孔O向右射入,电子在该匀强电场中发生偏转,被加速并偏转后进入磁场,进入匀强磁场仍然做匀速圆周运动,求得半径,画出运动的轨迹,再讨论电子在虚线PQ上的射入点和射出点之间的距离d.
解答:解:(1)电子进入磁场后做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,得:
evB=
mv2
r

所以:r=
mv
eB

电子经过半个周期后从磁场中射出,在虚线PQ上的射入点和射出点之间的距离d恰好是圆的直径;
所以,d=2r=
2mv0
eB

(2)若在MN与PQ之间加一个与PQ方向平行的方向向上的匀强电场,粒子在电场和磁场中的运动轨迹如图1,设进入磁场中的速度为v1,
则v1=
v
cosθ

则粒子做圆周运动的向心力由洛伦兹力提供:ev1B=
m
v
2
1
r′
,得:r′=
mv1
eB

电子在虚线PQ上的射入点和射出点之间的距离d:d=2r′cosθ=
2mv1
eB
?cosθ=
2mv
eB

  若在MN与PQ之间加一个与PQ方向平行的方向向上的匀强电场,粒子在电场和磁场中的运动轨迹如图2,设进入磁场中的速度为v2,

则v2=
v
cosθ

   同样可以推得结果:d=
2mv0
eB

所以:无论所加电场方向向上还是向下,d仍为
2mv
eB

答:(1)电子在虚线PQ上的射入点和射出点之间的距离为
2mv
eB
;
(2)无论所加电场方向向上还是向下,d仍为
2mv
eB
.
点评:会用运动的合成与分解的方法处理类平抛运动,在磁场中粒子做匀速圆周运动时洛伦兹力提供向心力.熟练作出粒子运动轨迹,根据几何关系判定各物理量之间的关系.
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