题目内容
4.(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}$)a.
点评 本题作为压轴题涉及的每一问之间有一定梯度,第一问和第二问为常规题型,只要有一定的物理功底即可拿到分数,第三问的难度具有一定的选拔性,若想成为优中之优一定要重视数学方法在物理中的应用.
| A. | 若将A板向上移动,则粒子向下移动 | |
| B. | 若将A板向下移动,则粒子静止不动 | |
| C. | 若将滑动变阻器的滑片向上移动,则粒子静止不动 | |
| D. | 若将滑动变阻器的滑片向下移动,则粒子向上移动 |
| A. | 此时P、Q两质点的运动方向相同 | |
| B. | 再经过1 s,质点N刚好在(-5 m,20 cm)位置 | |
| C. | 能与该波发生干涉的横波的频率一定为3 Hz | |
| D. | 该波如果遇到2m的障碍物,则能发生明显的衍射现象 | |
| E. | 波源O的振动频率为2.5 Hz |
| A. | 汽车通过最低点时发动机的牵引力为2400N | |
| B. | 汽车通过最高点时对环形车道的压力为1.4×l04N | |
| C. | 若要挑战成功,汽车不可能以低于12 m/s的恒定速率运动 | |
| D. | 汽车在环形车道上的角速度为1 rad/s |
| A. | 穿过A线圈的磁通量的最大值为$\frac{4}{π}$Wb | |
| B. | A、B两线圈转动的边长之比为3:2 | |
| C. | 从t=0到t=0.06s内,A、B两线圈上产生的热量之比为2:3 | |
| D. | 从t=0到t=0.06s,A线圈磁通量变化量为0 |
| A. | l:9 | B. | 3:8 | C. | 27:8 | D. | 1:8 |
| A. | 热量不能从低温物体传到高温物体 | |
| B. | 0℃的冰熔化为0℃的水时,分子势能一定增大 | |
| C. | 锋利的玻璃片用酒精灯烧烤后变纯了,是液体的表面张力造成的 | |
| D. | 彩色液晶显示器利用了液晶的光学性质具有各向异性的特点 | |
| E. | 只要气体压强不是很高就可视为理想气体 |