题目内容

3.如图所示,竖直面内的巨形MNPQ长为2L,宽为L,在其区域内NQ以上部分存在平行于MQ、竖直向下的匀强电场,NQ以下部分存在与矩形面垂直,沿水平方向的匀强磁场(方向未画出).一重力不计、质量为m、电荷量为q的带正电粒子以初速度v0从M点滑MN方向射人电场,在对角线NQ的中点O处进人磁场,并从PQ边上以垂直于PQ的速度离开磁场.
(1)场强E的大小和粒子经过O点时速度v;
(2)磁场的磁感应强度B;
(3)粒子在该区域运动的总时间.

分析 (1)带电粒子在电场中做类平抛运动,由牛顿第二定律、分位移公式和几何关系结合求解.
(2)画出粒子在磁场中的运动轨迹,由数学知识求轨迹半径,再由牛顿第二定律求磁感应强度B.
(3)先由第1小题求出粒子在电场中运动的时间.在磁场中,由轨迹对应的圆心角求时间,从而得到总时间.

解答 解:(1)带电粒子在电场中做类平抛运动,加速度为 a=$\frac{qE}{m}$
水平方向有 L=v0t
竖直方向有 $\frac{1}{2}$L=$\frac{1}{2}a{t}^{2}$
联立解得 E=$\frac{m{v}_{0}^{2}}{qL}$
粒子经过O点时竖直分速度为vy,则有 $\frac{{v}_{y}}{2}$t=$\frac{1}{2}L$
又 L=v0t
对比可得 vy=v0
则粒子经过O点时速度 v=$\sqrt{{v}_{0}^{2}+{v}_{y}^{2}}$=$\sqrt{2}{v}_{0}$,方向与水平方向的夹角为45°.
(2)画出粒子在磁场中的运动轨迹,设轨迹半径为r.由几何关系可知:粒子在磁场中转过的圆心角为45°.
则有 sin45°=$\frac{\frac{1}{2}L}{r}$
可得 r=$\frac{\sqrt{2}}{2}$L
粒子在磁场中做匀速圆周运动,由洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二定律得
  qvB=m$\frac{{v}^{2}}{r}$
解得 B=$\frac{2m{v}_{0}}{qL}$
(3)由第1小题知,带电粒子在电场中运动的时间  t=$\frac{L}{{v}_{0}}$
在磁场中运动的时间 t′=$\frac{1}{8}$T=$\frac{1}{8}$•$\frac{2πm}{qB}$=$\frac{πL}{4{v}_{0}}$
故粒子在该区域运动的总时间 t总=t+t′=$\frac{(4+π)L}{4{v}_{0}}$
答:
(1)场强E的大小是$\frac{m{v}_{0}^{2}}{qL}$,粒子经过O点时速度v是$\sqrt{2}{v}_{0}$,方向与水平方向的夹角为45°;
(2)磁场的磁感应强度B是$\frac{2m{v}_{0}}{qL}$;
(3)粒子在该区域运动的总时间是$\frac{(4+π)L}{4{v}_{0}}$.

点评 本题的关键要掌握带电粒子在匀强电场中的类平抛运动的研究方法:运动的分解法,掌握粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动的研究方法:画轨迹,运用数学知识求轨迹半径.

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