题目内容
2.如图a所示,匀强磁场垂直于xOy平面,磁感应强度B1按图b所示规律变化(垂直于纸面向外为正).t=0时,一比荷为$\frac{q}{m}$=1×105C/kg的带正电粒子从原点沿y轴正方向射入,速度大小v=5×104m/s,不计粒子重力.(1)求带电粒子在匀强磁场中运动的轨道半径.
(2)求t=$\frac{π}{2}$×10-4s时带电粒子的坐标.
(3)保持b中磁场不变,再加一垂直于xOy平面向外的恒定匀强磁场B2,其磁感应强度为0.3T,在t=0时,粒子仍以原来的速度从原点射入,求粒子回到坐标原点的时刻.
分析 (1)根据洛伦兹力提供向心力列方程即可求出带电粒子在匀强磁场中运动的轨道半径;
(2)先求出带电粒子在磁场中运动的周期,再分别求出在0~$\frac{π}{4}$×10-4s和$\frac{π}{4}$×10-4s~$\frac{π}{2}$×10-4s过程中,粒子运动了的周期和圆弧对应的圆心角,画出粒子的运动轨迹图,利用几何关系求出带电粒子的坐标;
(3)画出施加B2=0.3T的匀强磁场与原磁场叠加后规律变化图,分别求出当nT≤t≤nT+$\frac{T}{2}$和nT+$\frac{T}{2}$≤t≤(n+1)T(n=0,1,2,…)时粒子运动了的周期,画出粒子运动轨迹图即可求出粒子回到坐标原点的时刻.
解答
解:(1)带电粒子在匀强磁场中运动,洛仑兹力提供向心力,$qv{B_1}=m\frac{v^2}{r}$
代入数据解得:
r=1m
(2)带电粒子在磁场中运动的周期,${T_0}=\frac{2πr}{v}=\frac{2π}{5}×{10^{-4}}$s
在0~$\frac{π}{4}×{10^{-4}}$s过程中,粒子运动了$\frac{{5{T_0}}}{8}$,
圆弧对应的圆心角,${θ_1}=\frac{5π}{4}$
在$\frac{π}{4}×{10^{-4}}$s~$\frac{π}{2}×{10^{-4}}$s过程中,粒子又运动了$\frac{{5{T_0}}}{8}$,
圆弧对应的圆心角,${θ_2}=\frac{5π}{4}$![]()
轨迹如图a所示,根据几何关系可知,
横坐标:$x=2r+2rsin\frac{π}{4}=(2+\sqrt{2})m≈3.41$m
纵坐标:$y=-2rcos\frac{π}{4}=-\sqrt{2}m≈-1.41$m
带电粒子的坐标为(3.41m,-1.41m)
(3)施加B2=0.3T的匀强磁场与原磁场叠加后,如图b所示,
①当$nT≤t<nT+\frac{T}{2}$(n=0,1,2,…)时,${T_1}=\frac{2πm}{{q({{B_1}+{B_2}})}}=\frac{π}{4}×{10^{-4}}$s
②当$nT+\frac{T}{2}≤t<(n+1)T$(n=0,1,2,…)时,${T_2}=\frac{2πm}{{q({{B_1}-{B_2}})}}=π×{10^{-4}}s$
粒子运动轨迹如图c所示,则粒子回到原点的时刻为,${t_1}=(\frac{π}{4}+2nπ)×{10^{-4}}s$
${t_2}=2(n+1)π×{10^{-4}}s$(n=0,1,2,…) ![]()
答:(1)求带电粒子在匀强磁场中运动的轨道半径为1m;
(2)t=$\frac{π}{2}$×10-4s时带电粒子的坐标为[3.41m,-1.41m];
(3)粒子回到坐标原点的时刻为t1=($\frac{π}{4}$+2nπ)×10-4s,t2=2(n+1)π×10-4s (n=0,1,2,…).
点评 此题是带电粒子在匀强磁场中的运动问题,解题时要认真分析粒子的运动轨迹,画出粒子的运动轨迹图并结合几何知识进行求解,同时要注意粒子运动的周期性,过程比较复杂,意在考查学生综合分析问题的能力.
| A. | 220V | B. | 311V | C. | 156V | D. | 622V |
| A. | 变压器原、副线圈的匝数之比为5:1 | |
| B. | 变压器的输入功率为20W | |
| C. | 通过变压器原线圈的电流为0.2A | |
| D. | 通过变压器副线圈的电流的频率为50Hz |
| A. | 沿x轴正方向,电势升高 | |
| B. | 沿x轴的正方向,电场强度变小 | |
| C. | 沿x轴的正方向,动能的变化率$\frac{△{E}_{k}}{△x}$变大 | |
| D. | 沿x轴的正方向,动能变大 |
| A. | 该电场为匀强电场 | |
| B. | 电子从O点运动到P点的过程中加速度先增大后减小 | |
| C. | 电子从O点运动到P点的过程中电势能先增大后减小 | |
| D. | 电子从O点运动到P点的过程中先做加速度运动,后做减速运动 |
| A. | 实心小铁球 | B. | 空心小铁球 | ||
| C. | 实心小木球 | D. | 以上三种小球都可以 |
| A. | M处的场强大于N处的场强 | |
| B. | M处的电势高于N处的电势 | |
| C. | M、N间的电势差大于N、O间的电势差 | |
| D. | 质子在M处的电势能大于在N处的电势能3 |