题目内容

如图甲所示,在直角坐标系y轴右侧虚线区域内,分布着场强E=
2
2
×105N/c
的匀强电场,方向竖直向上;在y轴左侧虚线区域内,分布着B=5.0×10-2T、方向垂直纸面且随时间作周期性变化的磁场,如图乙所示(以垂直纸面向外为正).虚线所在位置的横坐标在图中已标出.T=0时刻,一质量m=1.6×10-27kg,电荷量q=+3.2×10-19C的带电粒子(不计重力),从点M(-0.5m,0.2
2
m)处以v=2
2
×106m/s的速度平行于x轴向右射入磁场.(磁场改变方向的瞬间,粒子速度不变)

(1)求磁场方向第一次改变时,粒子所处位置的坐标.
(2)在图甲中画出粒子从射入磁场到射出电场过程中运动的轨迹.
(3)求粒子射出电场时的动能.
分析:(1)磁场不变时,带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,由牛顿第二定律可求得在磁场方向改变时,粒子所在的位置坐标;
(2)分析带电粒子在电场和磁场中的受力情况,进而判断其运动情况,从而得出粒子的运动轨迹;
(3)在粒子运动过程中,只有电场力做功,则由动能定理可求得粒子射出电场时的动能.
解答:解:(1)由洛仑兹力充当向心力可知,Bqv=m
v2
R

解得R=
mv
Bq
=
1.6×10-27×2
2
×106
5.0×10-2×3.2×10-19
=0.2
2
;
而粒子的转动周期为T=
2πm
Bq
=
2×π×1.6×10-27
5.0×10-2×3.2×10-19
=2π×10-7s;
故磁场转变时,经过的时间t=
T
8
;故转过的角度为:
π
4
;
则由几何关系可知,坐标为(-0.3m,0.2m);
=
(2)粒子在磁场中做圆周运动,磁场反向后,粒子运动轨迹反向,因半径相同,故恰好水平离开磁场区域,沿直线运动,直到进入电场区域中,做类平抛运动,故粒子运动轨迹如图所示.
(3)粒子在电场中运动的时间t=
l
v
=
0.4
2
2
×106
=
2
×10-7s;
电场中的加速度a=
Eq
m
;
则运动的沿电场线的位移x=
1
2
at2
=
Eql2
2mv2
;
则电场力做功W=Eqx;
则由动能定理可知,W=Ek-
1
2
mv2
解得:离开电场E时的动能:Ek=9.6×10-15J;
答:(1)粒子的坐标为(-0.3m,0.2m);(2)轨迹如上图;(3)离开电场时的动能为9.6×10-15J;
点评:本题考查带电粒子在电场和磁场中的运动过程,要注意正确应用几何关系,作出粒子的运动轨迹,再由合适的物理规律求解即可.
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