题目内容

19.如图所示,空间内存在水平向右的匀强电场,在虚线MN的右侧有垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场,一质量为m、带电荷量为+q的小球自A点由静止开始运动,刚好沿直线AC运动至光滑绝缘的水平面CD点,与水平面碰撞的瞬间,小球的竖直分速度立即减为零,而水平分速度不变,小球运动至D处刚好离开水平面,然后沿图示曲线DP轨迹运动,AC与水平面夹角α=45°,重力加速度为g,求:
(1)匀强电场的场强E;
(2)AD之间的水平距离d;
(3)已知小球在轨迹DP上能达到的最大速度为vm,当小球达到最大速度时,磁场突然消失,经过多长时间的速度变$\sqrt{5}$vm?

分析 (1)小球从A运动到C的过程中,受到重力和电场力,两者的合力沿AC方向,作出力的合成图求出E.
(2)小球从A运动到D的过程中,水平分运动是匀加速直线运动.当洛伦兹力等于重力时,小球刚好离开水平面.由此条件求出小球滑到D点的速度,由速度位移公式求出d.
(3)小球离开D点后,受到重力、电场力和洛伦兹力三个力作用,当洛伦兹力与重力和电场力的合力共线时,速度最大;磁场突然消失,速度与电场力和重力的合力垂直,做类似平抛运动,根据类平抛运动的分运动公式列式求解运动时间.

解答 解:(1)小球在AC段的受力如图:

则有:qE=mgcotα
解得:E=$\frac{mg}{q}$
(2)设小球在D点速度为vD,在水平方向由牛顿第二定律得:
qE=ma
由运动学:
vD2=2ad
又小颗粒运动至D处刚好离开水平面,则
qvDB=mg
联立以上三式解得:
d=$\frac{{m}^{2}g}{2{q}^{2}{B}^{2}}$
(3)将重力和电场力合成,等效成“等效重力”,则“等效竖直向下”方向是与水平方向成45°角斜向右下方,小球速度最大时刻,到“等效重力场”的最低点,此时速度与“等效重力”方向垂直;
故撤去磁场后小球做类似平抛运动,故根据牛顿第二定律,有:
a=$\sqrt{2}g$
根据类平抛运动的合速度公式$v=\sqrt{{v}_{0}^{2}+(at)^{2}}$,有:
$\sqrt{5}{v}_{m}=\sqrt{{v}_{m}^{2}+(\sqrt{2}gt)^{2}}$
解得:t=$\frac{\sqrt{2}{v}_{m}}{g}$
答:(1)匀强电场的场强E为$\frac{mg}{q}$;
(2)AD之间的水平距离d为$\frac{{m}^{2}g}{2{q}^{2}{B}^{2}}$;
(3)已知小球在轨迹DP上能达到的最大速度为vm,当小球达到最大速度时,磁场突然消失,经过$\frac{\sqrt{2}{v}_{m}}{g}$时间的速度变$\sqrt{5}$vm.

点评 本题考查根据运动情况分析受力情况、以及根据受力情况分析运动情况的能力.本题在第二问中,有分段求和整体求两种,用整体法比较简单一些,但是由于整体法需知道在水平方向是匀加速直线运动,这点可能不好想到.用分段法也能求,稍麻烦一点而已.

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