题目内容

20.如图所示,直角坐标系xOy位于竖直平面内,在水平的x轴下方存在匀强磁场和匀强电场,磁场的磁感应强度B=10T,方向垂直xOy平面向外,电场线平行于y轴.一质量m=0.01kg、电荷量q=1.0×10-2 C的带负电的小球,从y轴上的A点以速度v0=2m/s向右水平抛出,经x轴上的M点进入电场和磁场,恰能做匀速圆周运动,从x轴上的N点第一次离开电场和磁场,小球经过M点时的速度方向与x轴的方向夹角θ=45°.不计空气阻力,取重力加速度g=10m/s2,求:
(1)电场强度E的大小和方向;
(2)M、N之间的距离L,
(3)小球从A点运动到N点的时间.

分析 (1)带电小球在复合场中做匀速圆周运动,知道电场力和重力平衡,靠洛伦兹力提供向心力,根据重力和电场力平衡求出电场强度的大小和方向.
(2)小球进入电磁场区域前做平抛运动,对末速度分解得到合速度;在电磁场中,根据洛伦兹力提供向心力,结合进入复合场中的速度大小,求出轨道半径,根据几何关系求出MN间的距离.
(3)对平抛运动,根据分速度公式列式求解时间;对圆周运动过程,根据t=$\frac{α}{2π}T$求解时间;最后得到总时间.

解答 解:(1)小球进入电磁场复合区后做匀速圆周运动,电场力与重力平衡,故:
qE=mg,
解得:E=$\frac{mg}{q}=\frac{0.01×10}{1.0×1{0}^{-2}}N/C=10N/C$;
电场力向上,而小球带负电荷,故场强向下;
(2)对应平抛的末速度,有:cosθ=$\frac{{v}_{0}}{v}$,
解得v=$\frac{{v}_{0}}{cos45°}=\frac{2m/s}{\frac{\sqrt{2}}{2}}=2\sqrt{2}m/s$;
小球在电磁场中做匀速圆周运动,画出轨迹,如图所示:

结合几何关系,有:L=$\sqrt{2}$r,
根据牛顿第二定律,有:$qvB=m\frac{{v}^{2}}{r}$,
联立解得:L=0.4m;
(3)对平抛运动,竖直分速度:vy=vsin45°=gt1,
解得:t1=$\frac{vsin45°}{g}=\frac{2\sqrt{2}×\frac{\sqrt{2}}{2}}{10}s=0.2s$;
对于圆周运动,运动时间:t2=$\frac{\frac{π}{2}}{2π}T$=$\frac{1}{4}×\frac{2πm}{qB}$=$\frac{πm}{2qB}$=$\frac{π×0.01}{2×1{0}^{-2}×10}s$=$\frac{π}{20}$s,
故小球从A点运动到N点的时间t=t1+t2=0.2s+$\frac{π}{20}$s≈0.357s;
答:(1)电场强度E的大小为10N/C,方向竖直向下;
(2)M、N之间的距离L为0.4m,
(3)小球从A点运动到N点的时间约为0.357s.

点评 本题要掌握平抛运动的处理方法,粒子在磁场中做匀速圆周运动,能正确的画出运动轨迹,并根据几何关系确定各量之间的关系.

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