题目内容
13.如图所示,在坐标系xOy中,第一象限除外的其它象限都充满匀强磁场Ⅰ,磁感应强度都为B 1=0.12T,方向垂直纸面向内.P是y轴上的一点,它到坐标原点O的距离l=0.40m.一比荷$\frac{q}{m}$=5.0×107C/kg的带正电粒子从P点开始进入匀强磁场中运动,初速度v0=3.0×106m/s,方向与y轴正方向成夹角θ=53°并与磁场方向垂直.不计粒子的重力作用.已知sin53°=0.8,cos53°=0.6,求:(1)粒子在磁场中运动的轨道半径R.
(2)在第一象限中与x轴平行的虚线上方的区域内充满沿x轴负方向的匀强电场(如图a所示),粒子在磁场中运动一段时间后进入第一象限,最后恰好从P点沿初速度的方向再次射入磁场.求匀强电场的电场强度E和电场边界(虚线)与x轴之间的距离d.
(3)如果撤去电场,在第一象限加另一匀强磁场Ⅱ,磁场方向垂直于xoy平面.在第(2)问虚线位置放置一块长度为L=0.25m的平板,平板的左边缘与y轴对齐(如图b所示).带电粒子仍从P点开始运动,欲使带电粒子第一次进入第一象限运动时不打到板上,求磁场Ⅱ的磁感应强度B2的大小和方向应满足什么条件?
分析 (1)根据洛伦兹力提供向心力,求出粒子在磁场中运动的轨道半径.
(2)根据粒子的轨道半径,结合几何关系知,圆心在x轴上,知粒子进入电场做类平抛运动,根据几何关系求出C的坐标.结合粒子进入电场在y轴方向做匀速直线运动,x轴方向上做匀加速直线运动,综合牛顿第二定律和运动学公式求出匀强电场的电场强度E和电场边界(虚线)与x轴之间的距离d.
(3)作出粒子运动轨迹,由几何知识求出粒子恰好不打在板上的临界轨道半径,然后又牛顿第二定律求出磁场的磁感应强度,再分析答题.
解答 解:(1)粒子在磁场区域内运动,洛伦兹力提供向心力,
由牛顿第二定律得:$q{v_0}{B_1}=m\frac{v_0^2}{R_1}$,
解得,粒子运动的轨道半径:${R_1}=\frac{{m{v_0}}}{qB}$=0.50m,
(2)粒子运动轨迹如图所示,粒子运动轨迹的圆心A恰好落在x轴上.
由几何关系可知粒子从C点进入第一象限时的位置坐标为:
x=R1-R1cosθ=0.20m
粒子进入匀强电场后做类平抛运动,设粒子在电场运动时间为t,
加速度为a,则:l-d=v0t 由牛顿第二定律得:qE=ma
$x=\frac{1}{2}a{t^2}$
粒子运动到P点时,有:vx=at=v0tanθ,
代入数据解得,电场强度:E=8.0×105N/C,
电场边界(虚线)与x轴之间的距离:d=0.10m;
(3)如果第一象限的磁场方向垂直于xoy平面向内,则带电粒子打到平板的临界条件为轨迹圆与板相切,此时轨迹半径为 R2=d=0.1m ![]()
由牛顿第二定律得:$q{v_0}{B_2}=m\frac{v_0^2}{R_2}$,代入素具解得:B2=0.6T,
如果第一象限的磁场方向垂直于xoy平面向外,
则带电粒子打到平板的临界条件为轨迹圆与板右侧边缘有交点,设此时轨迹半径为R3,
由几何关系:$R_3^2={d^2}+{({R_3}-d)^2}$,代入数据解得:R3=0.125m,
由牛顿第二定律得:$q{v_0}{B_2}=m\frac{v_0^2}{R_3}$,代入数据解得:B2=0.48T,
故欲使带电粒子第一次进入第一象限运动时不打到板上,
磁场Ⅱ的磁感应强度B2的大小和方向应满足:
若磁场方向垂直于xoy平面向内,则B2>0.6T;
若磁场方向垂直于xoy平面向外,则B2>0.48T.
答:(1)粒子在磁场中运动的轨道半径R为0.5m.
(2)匀强电场的电场强度E为8.0×105N/C,电场边界(虚线)与x轴之间的距离d为0.1m.
(3)磁场Ⅱ的磁感应强度B2的大小和方向应满足的条件是:
若磁场方向垂直于xoy平面向内,则B2>0.6T;
若磁场方向垂直于xoy平面向外,则B2>0.48T.
点评 本题是带电粒子在组合场中运动的问题,要求同学们能正确分析粒子的受力情况确定运动情况,结合几何关系以及半径公式、周期公式求解,难度适中.
| A. | 摆球机械能守恒,因它所受合外力为零 | |
| B. | 摆球过最低点时,动能最大 | |
| C. | 摆球向最高点摆动时,动能转化为势能,并且因克服重力做功而机械能减少 | |
| D. | 摆球到最高点时,动能为零,势能最大 |
| A. | 通过R的电荷量q为$\frac{BS}{R+r}$ | B. | 通过R的电荷量q为$\frac{πnBS}{2\sqrt{2}(R+r)}$ | ||
| C. | 外力做的功W为$\frac{2{n}^{2}ω{B}^{2}{S}^{2}}{π(R+r)}$ | D. | 外力做的功W为$\frac{π{n}^{2}ω{B}^{2}{S}^{2}}{4(R+r)}$ |
| 次序 | 操作步骤 | 现象和结论 |
| 1 | 闭合开关,选直流电压挡,红黑表笔分别接a、b | 有示数,灯断路;无示数,灯短路 |
| 2 | 闭合开关,选直流电流挡,红黑表笔分别接a、b | 有示数,灯断路;无示数,灯短路 |
| 3 | 闭合开关,选欧姆挡,红黑表笔分别接a、b | 指针不动,灯断路;指针偏转,灯短路 |
| 4 | 断开开关,选欧姆挡,红黑表笔分别接a、b | 指针不动,灯断路;指针偏转,灯短路 |
| A. | 1不正确 | B. | 2不正确 | C. | 3不正确 | D. | 4不正确 |
| A. | 该波的波长为6m | |
| B. | 该波的周期为12s | |
| C. | 该波的波速为10m/s | |
| D. | 10s末A点的振动速度大于B点的振动速度 |
| A. | d光的光子能量大于c光的光子能量 | |
| B. | d光在玻璃中的速度大于c光在玻璃中的速度 | |
| C. | 入射角α逐渐减小时,b光束的能量逐渐增强,c、d光束的能量逐渐减弱 | |
| D. | 若用c光照射某金属,可以使该金属发生光电效应,则用d光照射该金属时也一定能发生光电效应 |
| A. | v1与v2大小相等 | |
| B. | 两次电场力作的功相同 | |
| C. | 若增大所加磁场的磁感强度,粒子将打在上板 | |
| D. | 若所加磁场的磁感强度合适,粒子可以沿直线运动 |
| A. | 物块与木板之间的摩擦因数μ=$\frac{{\sqrt{3}}}{3}$ | |
| B. | 将木板与水平面的倾角改为60°,再释放物块,其运动加速度为$\frac{{10\sqrt{3}}}{3}$m/s2 | |
| C. | 将木板与水平面的倾角改为60°,再释放物块,其运动到木板下端的速度为2$\sqrt{5}$m/s | |
| D. | 将木板与水平面的倾角改为60°,再释放物块,其运动到木板下端的过程中重力做功5$\sqrt{3}$J |