题目内容
【题目】如图所示,直角坐标系xOy位于竖直平面内,在x轴下方存在匀强磁场和匀强电场,磁场的磁感应强度大小为B,方向垂直xOy平面向里,电场线平行于y轴。一质量为m、带电量为 +q的小球,从y轴上的A点水平向右抛出,经x轴上M点进入电磁场,恰能做匀速圆周运动,从x轴上的N点第一次离开电磁场,MN之间的距离为L,小球过M 点时的速度方向与x轴正方向夹角为θ。不计空气阻力,重力加速度为g,求:
(1)电场强度E的大小和方向;
(2)小球从A点抛出时初速度v0的大小;
(3)现使x轴下方的匀强磁场消失,x轴下方只有平行于y轴的匀强电场,当电场强度调整为多大时能使小球也经过N点。
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【答案】(1)
,方向竖直向上 (2)
(3)![]()
【解析】
(1)小球在电场、磁场中恰能做匀速圆周运动,其所受电场力必须与重力平衡,有:
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所以:
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重力的方向是竖直向下,电场力的方向则应为竖直向上,因为小球带正电,所以电场强度方向竖直向上.
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(2)小球做匀速圆周运动,如图所示O'为圆心,MN为弦长,
,设半径为r,由几何关系知:
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小球做匀速圆周运动的向心力由洛伦兹力提供,设小球做圆周运动的速率为v,有:
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由速度的合成与分解知:
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联立解得:
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(3) x轴下方只有平行于y轴的匀强电场时小球在电场力与重力的合力作用下匀变速曲线运动,沿x轴方向做匀速直线运动,所以M到N的时间为:
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y轴方向上先做匀减速直线运动,再做匀加速直线运动,在M点沿y轴方向的初速度为:
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根据对称性可知小球向下运动到竖直速度为0时时间为
:
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而根据牛顿第二定律有:
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联立解得:
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答:(1)电场强度E的大小为
,方向竖直向上;
(2)小球从A点抛出时初速度的大小为
.
(3)当电场强度调整为
时能使小球也经过N点
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