题目内容

4.在如图所示xoy坐标系第一象限的三角形区域(坐标如图中所标注)内有垂直于纸面向外的匀强磁场,在x轴下方有沿+y方向的匀强电场,电场强度为E.将一个质量为m、带电量为+q的粒子(重力不计)从P(0,-a)点由静止释放.由于x轴上存在一种特殊物质,使粒子每经过一次x轴后速度大小变为穿过前的$\frac{\sqrt{2}}{2}$倍.
(1)欲使粒子能够再次经过x轴,磁场的磁感应强度B0最小是多少?
(2)在磁感应强度等于第(1)问中B0的情况下,求粒子在磁场中的运动时间;
(3)若磁场的磁感应强度变为第(1)问中B0的2倍,求粒子运动的总路程.

分析 (1)粒子进入磁场后的轨迹圆与磁场边界相切时,磁感应强度最小为B0.由几何知识求出半径,然后由牛顿第二定律确定磁场强度;
(2)画出粒子的运动轨迹,由t=$\frac{θ}{2π}$T求运动时间之和;
(3)由数学归纳法求出当粒子第n次进入磁场时,其在磁场中做圆周运动的轨道半径和前进的路程的表达式,然后由等比数列的求和公式求出总路程.

解答 解:(1)设粒子到O点时的速度为v0,由动能定理有:
qEa=$\frac{1}{2}$mv02 
解得:v0=$\sqrt{\frac{2qEa}{m}}$ 
粒子经过O点后,速度为v1,v1=$\frac{\sqrt{2}}{2}$v0=$\sqrt{\frac{qEa}{m}}$ 
如图甲所示,粒子进入磁场后的轨迹圆与磁场边界相切时,磁感应强度最小为B0.设粒子轨道半径为R1,有:
R1=$\sqrt{3}$atan30°=a
由:qB0v1=m$\frac{{{v}_{1}}^{2}}{{R}_{1}}$ 
得:B0=$\frac{m{v}_{1}}{q{R}_{1}}$=$\sqrt{\frac{mE}{qa}}$
(2)如图甲,粒子经O1点进入电场区域做匀减速运动,后又加速返回,再次进入磁场时的速率v2=($\frac{\sqrt{2}}{2}$)2v1=$\frac{1}{2}$v1 
此时粒子做圆周运动的半径:R2=$\frac{1}{2}$R1=$\frac{1}{2}$a
其运动轨迹如图甲所示,此后不再进入磁场.由几何关系可知,∠MO1′O1=60°
则粒子在磁场中运动的时间为:t=$\frac{{T}_{1}}{2}$+$\frac{{T}_{1}}{6}$=$\frac{1}{2}$•$\frac{2π{R}_{1}}{{v}_{1}}$+$\frac{1}{6}$•$\frac{2π{R}_{x}}{{v}_{x}}$=$\frac{4π}{3}$$\sqrt{\frac{ma}{qE}}$ 
(3)若B=2B0,粒子的运动情况如图乙所示,

粒子经过O点第一次进入磁场时的速率仍为v1,在磁场中做圆周运动的半径记为R1′,由第(1)问可知,v1=$\sqrt{\frac{qEa}{m}}$,R1′=$\frac{a}{2}$
粒子从O1点穿过x轴进入电场时速率为v1′=$\frac{\sqrt{2}}{2}$v1=$\sqrt{\frac{qEa}{2m}}$,运动到P1点后返回,则由动能定理:
-qE$\overline{{O}_{1}{P}_{1}}$=0-$\frac{1}{2}$mv1′2    
解得:$\overline{{O}_{1}{P}_{1}}$=$\frac{a}{4}$ 
当粒子第二次进入磁场时的速率:v2=$\frac{\sqrt{2}}{2}$v1′=$\frac{1}{2}$$\sqrt{\frac{qEa}{m}}$=$\frac{1}{2}{v}_{1}$ 
做圆周运动的半径为:R2′=$\frac{a}{4}$ 
粒子从O2点穿过x轴进入电场时速率为:v2′=$\frac{\sqrt{2}}{2}$v2=$\sqrt{\frac{qEa}{8m}}$,
运动到P2点后返回,则由动能定理:-qE$\overline{{O}_{2}{P}_{2}}$=0-$\frac{1}{2}$mv2′2 
解得:$\overline{{O}_{2}{P}_{2}}$=$\frac{a}{16}$ 
依此类推可知,当粒子第n次进入磁场时,其在磁场中做圆周运动的轨道半径为Rn′=$\frac{a}{{2}^{n}}$,再进入电场中前进的距离$\overline{{O}_{n}{P}_{n}}$=$\frac{a}{{4}^{n}}$
因此,粒子运动的总路程为 s=π(R1+R2+…Rn)+2($\overline{{O}_{1}{P}_{1}}$+$\overline{{O}_{2}{P}_{2}}$+…+$\overline{{O}_{n}{P}_{n}}$)+$\overline{OP}$=π($\frac{a}{2}$+$\frac{a}{4}$+…+$\frac{a}{{2}^{n}}$)+2($\frac{a}{4}$+$\frac{a}{16}$+…+$\frac{a}{{4}^{n}}$)+a=(π+$\frac{5}{3}$)a
答:(1)欲使粒子能够再次经过x轴,磁场的磁感应强度B0最小是$\sqrt{\frac{mE}{qa}}$;
(2)在磁感应强度等于第(1)问中B0的情况下,粒子在磁场中的运动时间$\frac{4π}{3}$$\sqrt{\frac{ma}{qE}}$;
(3)若磁场的磁感应强度变为第(1)问中B0的2倍,粒子运动的总路程(π+$\frac{5}{3}$)a.

点评 本题作为压轴题涉及的每一问之间有一定梯度,第一问和第二问为常规题型,只要有一定的物理功底即可拿到分数,第三问的难度具有一定的选拔性,若想成为优中之优一定要重视数学方法在物理中的应用.

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