题目内容

4.在直角坐标系xOy的第一象限区域中,有沿y轴正方向的匀强电场和垂直纸面向外的匀强磁场(图中未画).在x=4L处垂直于x轴放置一荧光屏,与x轴的交点为Q.电子束以相同的速度v从y轴上0≤y≤2.5L的区间垂直于电场和磁场方向进入场区,所有电子均做匀速直线运动.忽略电子间的相互作用力,不计重力,电子的质量为m,所带电量的绝对值为q,磁场的磁感应强度为B=$\frac{mv}{qL}$.求:
(1)电场强度的大小;
(2)若撤去电场,并将磁场反向,求从y=0.5L处射入的电子经多长时间打到荧光屏上;
(3)若撤去磁场,求电子打到荧光屏距Q点的最远距离.

分析 (1)电子做匀速直线运动电场力与洛伦兹力合力为零,由平衡条件可以求出电场强度.
(2)电子在磁场中做匀速圆周运动,作出粒子运动轨迹求出电子转过的圆心角,然后根据周期公式求出运动时间,电子离开磁场后做匀速直线运动,求出其运动时间,最后求出电子总的运动时间.
(3)电子在电场做做类平抛运动,应用类平抛运动规律求出最远距离.

解答 解:(1)电子做匀速直线运动,
由平衡条件得:qE=qvB,解得:E=$\frac{m{v}^{2}}{qL}$;
(2)电子在磁场中做圆周运动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:r=L,
圆心角:cosα=$\frac{0.5L}{r}$=0.5,α=60°,
电子做圆周运动的周期:T=$\frac{2πr}{v}$,
电子做圆周运动的时间:t1=$\frac{α}{360°}$T=$\frac{1}{6}$T,
电子离开场区之后的运动时间:t2=$\frac{4L-rsinα}{vcosα}$=$\frac{(8-\sqrt{3})L}{v}$,
电子打到荧光屏上的时间:t=t1+t2=$\frac{(π+24-3\sqrt{3}L)}{3v}$;
(3)设电子在电场中运动时间为t,竖直方向位移为y,水平位移为x,
则:x=vt,y=$\frac{1}{2}$$\frac{qE}{m}$t2,vy=at=$\frac{qE}{m}$t,解得:x=$\sqrt{2yL}$,vy=v$\sqrt{\frac{2y}{L}}$,
设电子穿出电场时的速度方向与x轴的夹角为θ,则:tanθ=$\frac{{v}_{y}}{v}$=$\sqrt{\frac{2y}{L}}$,
电子打到荧光屏上距离Q点的距离:H=(4L-x)tanθ-(4$\sqrt{L}$-$\sqrt{2y}$)$\sqrt{2y}$,
由数学知识得:当y=2L时,H有最大值,最大值为Hm=4L;
答:(1)电场强度的大小为:$\frac{m{v}^{2}}{qL}$;
(2)若撤去电场,并将磁场反向,从y=0.5L处射入的电子打到荧光屏上的时间为$\frac{(π+24-3\sqrt{3}L)}{3v}$;
(3)若撤去磁场,求电子打到荧光屏距Q点的最远距离为4L.

点评 电子在电磁场中做匀速直线运动、在电场中做类平抛运动、在磁场中做匀速圆周运动,分析清楚电子运动过程是解题的关键,应用平衡条件、牛顿第二定律与运动学公式可以解题,解题时注意数学知识的应用.

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