题目内容

18.如图所示的xOy平面,在第二象限有一半径为R的匀强磁场区域,圆心为O′(-R,R),磁场方向垂直xOy平面向外,磁感应强度为B.在第一象限的虚线上方存在一沿y轴负方向的匀强电场,虚线为电场的边界,其方程为y=$\frac{8}{3R}$x(R-x).在A点有一粒子源,能不断向x轴上方各个方向均匀发射质量为m,电荷量为q(q>0)的同种带电粒子,所有粒子发射速率相同.已知沿y轴正方向入射的粒子通过C点(0,R)后,沿与x轴正方形成53°角方向斜向下打到B点,B、D点坐标分别为(R,0),(O,$\frac{R}{2}$),不计粒子间的相互作用和重力.sin53°=0.8,cos53°=0.6.求:
(1)通过y轴上OD间的粒子占发射总粒子数的比例;
(2)第一象限内匀强电场的场强大小E.

分析 (1)先由左手定则和圆周运动的特点分析出粒子带正电.画出粒子的轨迹如图所示,与x轴成θ角入射的粒子做圆周运动的圆心为F,轨迹交磁场边界于G点,则四边形O′AFG为菱形,则GF平行于O′A,说明粒子在G点的速度沿x轴正方向.根据几何知识分析θ的大小,即可求解.
(2)粒子从C点以速度v垂直进入匀强电场的场强.在电场中粒子做类平抛运动,然后沿直线匀速到达B点.粒子在圆形磁场区域中做圆周运动时,洛伦兹力提供向心力,列出动力学方程,再结合位移的分解和几何知识解答.

解答 解:(1)由左手定则和圆周运动的特点可知,粒子从A点到C点圆周运动的半径为R,粒子带正电,如图所示,与x轴成θ角入射的粒子做圆周运动的圆心为F,轨迹交磁场边界于G点,则四边形O′AFG为菱形,则GF平行于O′A,即粒子在G点的速度沿x轴正方向.
若该粒子恰好经过D点,因DO=$\frac{R}{2}$,则GH=HF=$\frac{R}{2}$,θ=60°,故通过y轴上OD间的粒子占发射总粒子数的$\frac{1}{3}$;
(2)设粒子从C点以速度v垂直进入匀强电场的场强.在电场中粒子做类平抛运动,经过t时间到达虚线边界上(x0,y0)点,然后沿直线匀速到达B点,粒子在圆形磁场区域中做圆周运动时,洛伦兹力提供向心力,即 qvB=m$\frac{{v}^{2}}{R}$
由平抛运动的规律得
   x0=vt
  R-y0=$\frac{1}{2}•\frac{qE}{m}{t}^{2}$
根据数学知识得 $\frac{{y}_{0}}{R-{x}_{0}}$=tan53°
  y0=$\frac{8}{3R}$x0(R-x0)
联立以上各式,解得 E=$\frac{8q{B}^{2}R}{3m}$
答:
(1)通过y轴上OD间的粒子占发射总粒子数的$\frac{1}{3}$;
(2)第一象限内匀强电场的场强大小E为$\frac{8q{B}^{2}R}{3m}$.

点评 此题涉及两等圆相交和类平抛运动分解.粒子在圆形磁场中运动,当磁场圆屯粒子轨迹圆半径相等时,往往都需要作出两交点和两圆心的连线,构成一个菱形,其目的是证明粒子出射时速度的特征.粒子在匀强电场中运动时往往将运动从位移、速度两个角度进行分解.

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