题目内容

1.如图为平面直角坐标系xoy,第一象限有一射线op与x轴成θ1=30°角,第一象限内射线op与y轴之间有垂直纸面向里的匀强磁场B1(大小未知).第二象限内有匀强电场,与y轴负方向成θ2=30°角斜向下,第四象限内有垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B2,第二象限有一点A,坐标为(-L,$\sqrt{3}$L),某带电粒子质量为m,电荷量为+q,自A点以某一初速度垂直电场方向射出,后经过坐标原点O进入第四象限的匀强磁场中,已知经过O点时速度大小为v,沿y轴负方向,y轴处于磁场中,不计粒子重力,求:
(1)第一象限内匀强磁场的磁感应强度B1满足什么条件时,粒子能再次返回匀强磁场B2中;
(2)磁场B1取满足(1)中要求的最小值时,整个运动过程中粒子在两个磁场运动的总时间时多少?
(3)匀强电场的电场强度.

分析 (1)粒子要能再次返回匀强磁场B2中,在匀强磁场B1中的轨迹半径最大时轨迹与y轴相切,画出轨迹,求出匀强磁场B1中的最大半径,从而求得磁感应强度B1的最小值,即可得解.
(2)分析轨迹对应的圆心角,求得粒子在磁场中的运动时间.
(3)粒子在电场中做类平抛运动,由分位移和分速度公式求解电场强度.

解答 解:(1)当粒子刚好能再次返回匀强磁场B2中时轨迹如图,设粒子在磁场B1中和磁场B2中的轨迹分别为r1和r2.
在磁场B2中,有 qvB2=m$\frac{{v}^{2}}{{r}_{2}}$,
在磁场B1中,有 qvB1=m$\frac{{v}^{2}}{{r}_{1}}$,
由几何知识可知,r1=r2.解得 B1=B2.
故磁感应强度B1满足条件:B1≥B2时,粒子能再次返回匀强磁场B2中.
(2)在满足B1=B2时,由轨迹可知,粒子在磁场B1中轨迹对应的圆心角为240°
在磁场B1中的运动时间 t1=$\frac{240°}{360°}$T=$\frac{2}{3}×\frac{2πm}{q{B}_{2}}$=$\frac{4πm}{3q{B}_{2}}$
第一次进入磁场B2中的运动时间 t2=$\frac{1}{2}$T=$\frac{πm}{q{B}_{2}}$
再次进入磁场B2中的运动时间 t3=$\frac{1}{6}$T=$\frac{πm}{3q{B}_{2}}$
从E点射出磁场B2后速度与OP平行,不再进入磁场.
故整个运动过程中粒子在两个磁场运动的总时间是 t=t1+t2+t3=$\frac{8πm}{3q{B}_{2}}$.
(3)粒子在电场中做类平抛运动,设粒子沿电场方向的分位移大小为y,由几何知识得:
  y=$\sqrt{{L}^{2}+(\sqrt{3}L)^{2}}$sin30°=L
由速度分解得粒子到达原点O时沿电场方向的分速度为 vy=vcos30°
由vy2=2ay,a=$\frac{qE}{m}$,
解得 E=$\frac{3m{v}^{2}}{8qL}$
答:(1)磁感应强度B1满足条件:B1≥B2时,粒子能再次返回匀强磁场B2中.
(2)整个运动过程中粒子在两个磁场运动的总时间是$\frac{8πm}{3q{B}_{2}}$.
(3)匀强电场的电场强度为$\frac{3m{v}^{2}}{8qL}$.

点评 本题考查带电粒子在电场和磁场中的运动,关键理清粒子的运动轨迹,以及运动的情况,结合几何关系进行求解.

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