题目内容

2.X轴下方有两个关于直线x=-0.5a对称的沿X轴的匀强电场(大小相等,方向相反).如图甲所示.一质量为m,带电量为-q的粒子(不计重力).以初速度V沿Y轴正方向从P点进入电场,后从原点O以与过P点时相同的速度进入磁场.粒子过O点的同时在MN和X轴之间加上按图乙所示的规律发生周期性变化的磁场,规定垂直纸面向里为正方向.正向磁场与反向磁场的磁感应强度大小相等,且持续的时间相同.粒子在磁场中运动一段时间后粒子到达Q点,并且速度也与过P点时速度相同.已知P、O、Q在一条直线上与水平方向夹角为θ,且P、Q两点横坐标分别为-a、a.试计算:

(1)电场强度E的大小;
(2)磁场的磁感应强度B的大小;
(3)粒子从P到Q的总时间.

分析 (1)根据题意可知,带电粒子在电场中做类平抛运动,且时间相等,水平位移为a,竖直方向位移为atanθ,根据平抛运动的基本公式即可求解运动时间和电场强度;
(2)带电粒子在第一象限的磁场中做匀速圆周运动,根据洛伦兹力提供向心力结合几何关系求解即可;
(3)分别求出粒子在电场和磁场中运动的时间,两段时间之和即为总时间.

解答 解:(1)带电粒子在第三象限的运动为两个阶段的匀变速曲线运动,且时间相等,设为t,
对该运动分析得:
Y方向:atanθ=2Vt,
X方向:$\frac{1}{2}a=\frac{qE}{2m}{t}^{2}$,
解得:$E=\frac{4m{V}^{2}}{aq(tan{θ)}^{2}}$,t=$\frac{atanθ}{2V}$;

(2)带电粒子在第一象限的磁场中做匀速圆周运动,设半径为R,如图所示(只画出一个周期的情况):

由几何关系可知:
$\frac{a}{cosθ}=4nRcosθ$,(n=1,2,3…)
$BqV=m\frac{{V}^{2}}{R}$
解得:B=$\frac{4nmV(cosθ)^{2}}{qa}$,(n=1,2,3…)
(3)带电粒子在电场中运动的时间${t}_{电}=2t=\frac{atanθ}{V}$,
研究带电粒子在磁场中的匀速圆周运动,设时间为t磁,设单元圆弧对应的圆心角为α,由几何关系可知,α=π-2θ,
则${t}_{磁}=2n\frac{(π-2θ)R}{V}=\frac{(π-2θ)a}{2V(cosθ)^{2}}$
所以粒子从P到Q的总时间${t}_{总}={t}_{电}+{t}_{磁}=\frac{atanθ}{V}+\frac{(π-2θ)a}{2V{(cosθ)}^{2}}$
答:(1)电场强度E的大小为$\frac{4m{V}^{2}}{aq{(tanθ)}^{2}}$;
(2)磁场的磁感应强度B的大小为$\frac{4nmV(cosθ)^{2}}{qa}$,(n=1,2,3…);
(3)粒子从P到Q的总时间为$\frac{atanθ}{V}+\frac{(π-2θ)a}{2V{(cosθ)}^{2}}$.

点评 本题考查了粒子在电场与磁场中的运动,粒子在电场中做类平抛运动、在磁场中做匀速圆周运动,分析清楚粒子运动过程,应用类平抛运动规律、牛顿第二定律即可正确解题.

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