题目内容

3.如图所示,在y轴右方有方向垂直于纸面的匀强磁场,一个质量为m,电量为q的质子以速度v水平向右经过x轴上的P点最后从y轴上的M点射出,已知M点到原点的距离为L,质子射出磁场时的速度方向与y轴的夹角θ为30°.求:
(1)磁感应强度的大小和方向;
(2)若质子在磁场中运动的适当时候,在y轴右方再加一个匀强电场,可以使质子能平行于y轴正方向做匀速直线运动.从质子经过P点开始计时,经过多长时间开始加这个匀强电场?电场强度多大?方向如何?

分析 (1)由于磁场只存在x≥0区域,质子沿x轴正方向运动时,若洛伦兹力方向沿y轴负方向,则质子在第四象限运动,就不可能达M点,所以质子所受洛伦兹力方向必沿y轴正方向,再由左手定则判定磁场方向应垂直纸面向里.
(2)由题意和半径公式可知,要求磁感应强度B应先求半径R,要求半径得首先确定圆心.题中已知圆周上P、M两点的速度方向,可确定圆心O,画出图象,根据几何关系和向心力公式即可求解.

解答 解:(1)质子在磁场中运动圆轨道如图所示,设圆轨道半径为R,由几何图知:

R(1+sin30°)=L ①
根据洛伦兹力提供向心力,得
qvB=m$\frac{v2}{R}$ ②
解得:B=$\frac{3mv}{2qL}$ ③
由左手定则可判定磁场方向垂直纸面向里.
(2)要使质子能平行于y轴正方向做匀速直线运动,必须当质子速度沿y轴正方向时,加一水平向右的匀强电场,并且使质子受电场力和洛伦兹力相等,即
qE=qvB ④
由③④解得:E=$\frac{3mv2}{2qL}$,方向与x轴正方向相同 ⑤
此刻质子恰好运动了$\frac{T}{4}$,则
T=$\frac{2πm}{qB}$,t=$\frac{T}{4}$ ⑥
由③⑥解得:t=$\frac{πL}{3v}$
答:(1)磁感应强度的大小是$\frac{3mv}{2qL}$,方向垂直于纸面向里;
(2)从质子经过P点开始计时,经过$\frac{πL}{3v}$时间开始加这个匀强电场;电场强度是$\frac{3mv2}{2qL}$,方向与x轴正方向相同.

点评 带电粒子在磁场中运动的题目解题步骤为:定圆心、画轨迹、求半径,同时还利用圆弧的几何关系来帮助解题.

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