题目内容

(18分) 如图a所示,竖直直线MN左方有水平向右的匀强电场,现将一重力不计,比荷的正电荷置于电场中O点由静止释放,经过后,电荷以v0=1.5×104m/s的速度通过MN进入其右方的匀强磁场,磁场与纸面垂直,磁感应强度B按图b所示规律周期性变化(图b中磁场以垂直纸面向外为正,以电荷第一次通过MN时为t=0时刻,忽略磁场变化带来的影响)。求:

(1)匀强电场的电场强度E;
(2)图b中时刻电荷与O点的竖直距离r。
(3)如图在O点下方d=39.5cm处有一垂直于MN的足够大的挡板,求电荷从O点出发运动到挡板所需要的时间。(结果保留2位有效数字)

(1)7.2×103N/C (2)4cm   (3)2.1×10-4s

解析试题分析:(1)电荷在电场中做匀加速直线运动,设其在电场中运动的时间为t1,有:v0=at1 ,Eq=ma,解得:E==7.2×103N/C  。
(2)当磁场垂直纸面向外时,电荷运动的半径: r1==5cm,周期  T1==×10-5s,当磁场垂直纸面向里时,电荷运动的半径:r2==3cm,周期  T2==×10-5s ,故电荷从t=0时刻开始做周期性运动,其运动轨迹如图甲所示.

t=×10-5s时刻电荷与O点的竖直距离:△d=2(r1-r2)=4cm  。
(3)电荷从第一次通过MN开始,其运动的周期为:T=×10-5s,根据电荷的运动情况可知,电荷到达档板前运动的完整周期数为8个,此时电荷沿MN运动的距离:s=8△d=32cm  ,则最后7.5cm的距离如图乙所示,

有:r1+r1cosα=7.5cm
解得:cosα=0.5, 则 α=60°        
故电荷运动的总时间:t总=t1+8T+T1=2.1×10-4s
考点:带电粒子在匀强电场中的运动,牛顿第二定律,带电粒子在(周期性)匀强磁场中的运动

练习册系列答案
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有一种“双聚焦分析器”质谱仪,工作原理如图所示。加速电场的电压为U,静电分析器中有辐向会聚电场,即与圆心O1等距各点的电场强度大小相同,方向沿径向指向圆心O1;磁分析器中以O2为圆心、圆心角为90°的扇形区域内,分布着方向垂直于纸面向外的匀强磁场,其左边界与静电分析器的右边界平行.由离子源发出一个质量为m、电荷量为q的正离子(初速度为零,重力不计),经加速电场加速后,从M点沿垂直于该点的电场方向进入静电分析器,在静电分析器中,离子沿半径为R的四分之一圆弧轨道做匀速圆周运动,并从N点射出静电分析器.而后离子由P点沿着既垂直于磁分析器的左边界,又垂直于磁场方向射入磁分析器中,最后离子沿垂直于磁分析器下边界的方向从Q点射出,并进入收集器.测量出Q点与圆心O2的距离为d,位于Q点正下方的收集器入口离Q点的距离为d/2.(题中的U、m、q、R、d都为已知量)

(1)求静电分析器中离子运动轨迹处电场强度E的大小;
(2)求磁分析器中磁感应强度B的大小;
(3)现将离子换成质量为4m ,电荷量仍为q的另一种正离子,其它条件不变.磁分析器空间足够大,离子不会从圆弧边界射出,收集器的位置可以沿水平方向左右移动,要使此时射出磁分析器的离子仍能进入收集器,求收集器水平移动的距离.

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