题目内容

7.如图所示,在平面直角坐标系xOy的第一象限内分布有方向竖直向下、宽度为2d的匀强电场,一质量为m、电荷量为+q的带电粒子从y轴上的A点以速度v0水平向右射出,穿过匀强电场后恰好打在x轴上的G点,且速度方向与x轴正方向成θ=60°夹角斜向下.若A点坐标为(0,2$\sqrt{3}$d),G点坐标为(3d,0),粒子重力不计.
(1)试求该匀强电场的电场强度E的大小;
(2)若撤去电场,在该坐标系的第一象限内加上一个方向垂直纸面向外、磁感应强度大小为B的圆形磁场,粒子扔按原方向入射,经磁场偏转后粒子仍打在x轴上的G点,且速度方向与x轴正方向成θ=60°夹角斜向下,试求该圆形磁场的最小面积S.

分析 (1)粒子垂直于电场进入电场,在电场中粒子做类平抛运动,由运动的分解求出粒子到达电场的边界时的位置,再用平抛运动的公式即可求出电场强度.
(2)粒子以此速度进入第四象限,在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动,利用洛伦兹力提供向心力的公式,可由牛顿第二定律求出在磁场中运动的半径r,然后结合几何关系判断出磁场的最小半径和最小面积.

解答 解:(1)粒子沿与x轴正方向成θ=60°夹角斜向下穿过x轴如图,可知:

$\frac{\overline{BC}}{\overline{CG}}=tan60°=\sqrt{3}$
所以:$\overline{BC}=\sqrt{3}\overline{CG}=\sqrt{3}×(3d-2d)=\sqrt{3}d$
粒子在电场中做平抛运动,水平方向:2d=v0t
竖直方向:$(2\sqrt{3}d-\sqrt{3}d)=\frac{1}{2}a{t}^{2}$
其中:$a=\frac{qE}{m}$
联立得:E=$\frac{\sqrt{3}m{v}_{0}^{2}}{2qd}$
(2)粒子在磁场中运动时洛伦兹力提供向心力,所以:
$q{v}_{0}B=\frac{m{v}_{0}^{2}}{r}$
得:$r=\frac{m{v}_{0}}{qB}$
又由题意,粒子在磁场中偏转的角度是60°,则在磁场中运动 的轨迹如图:

由图可知当粒子的入射点与出射点的连线恰好是磁场的直径时,磁场的面积最小.此时:
$\frac{R}{r}=sin\frac{60°}{2}=sin30°=0.5$
所以:R=0.5r
所以磁场的最小面积:S=πR2=$\frac{π{m}^{2}{v}_{0}^{2}}{{4q}^{2}{B}^{2}}$
答:(1)该匀强电场的电场强度E的大小是$\frac{\sqrt{3}m{v}_{0}^{2}}{2qd}$;
(2)该圆形磁场的最小面积是$\frac{π{m}^{2}{v}_{0}^{2}}{{4q}^{2}{B}^{2}}$.

点评 粒子在电场中运动偏转时,常用能量的观点来解决问题,有时也要运用运动的合成与分解.粒子在磁场中做匀速圆周运动的圆心、半径及运动时间的确定也是本题的一个考查重点,要正确画出粒子运动的轨迹图,能熟练的运用几何知识解决物理问题.

练习册系列答案
相关题目

违法和不良信息举报电话:027-86699610 举报邮箱:58377363@163.com

精英家教网