Question

如圖所示，直角坐標(biāo)系xoy位于豎直平面內(nèi)，在‑m≤x≤0的區(qū)域內(nèi)有磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B = 4．0×10^-4T、方向垂直于紙面向里的條形勻強(qiáng)磁場(chǎng)，其左邊界與x軸交于P點(diǎn)；在x＞0的區(qū)域內(nèi)有電場(chǎng)強(qiáng)度大小E = 4N/C、方向沿y軸正方向的有界勻強(qiáng)電場(chǎng)，其寬度d = 2m。一質(zhì)量m = 6．4×10^-27kg、電荷量q =-3．2×10^‑19C的帶電粒子從P點(diǎn)以速度v = 4×10⁴m/s，沿與x軸正方向成α=60°角射入磁場(chǎng)，經(jīng)電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)最終通過(guò)x軸上的Q點(diǎn)（圖中未標(biāo)出），不計(jì)粒子重力。求：

⑴帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的半徑和時(shí)間；

⑵當(dāng)電場(chǎng)左邊界與y軸重合時(shí)Q點(diǎn)的橫坐標(biāo)；

⑶若只改變上述電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，要求帶電粒子仍能通過(guò)Q點(diǎn)，討論此電場(chǎng)左邊界的橫坐

標(biāo)x′與電場(chǎng)強(qiáng)度的大小E′的函數(shù)關(guān)系。

 

Answer 1

【答案】

⑴帶電粒子在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力提供向心力，根據(jù)牛頓第二定律 有

               （1分）代入數(shù)據(jù)得：       （1分）

軌跡如圖1交y軸于C點(diǎn)，過(guò)P點(diǎn)作v的垂線交y軸于O₁點(diǎn)，

由幾何關(guān)系得O₁為粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的圓心，且圓心角為60°。  （1分）

在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)間    代入數(shù)據(jù)得：t=5．23×10^-5s         （1分）

⑵帶電粒子離開(kāi)磁場(chǎng)垂直進(jìn)入電場(chǎng)后做類平拋運(yùn)動(dòng)

方法一：粒子在電場(chǎng)中加速度（1分）

運(yùn)動(dòng)時(shí)間            （1分）

沿y方向分速度  （1分）

沿y方向位移    （1分）

粒子出電場(chǎng)后又經(jīng)時(shí)間t₂達(dá)x軸上Q點(diǎn)

             故Q點(diǎn)的坐標(biāo)為  （1分）

方法二：設(shè)帶電粒子離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)的速度偏向角為θ，如圖1，則：

（2分）

設(shè)Q點(diǎn)的橫坐標(biāo)為x

則：               （2分）

故x=5m。                          （1分）

⑶電場(chǎng)左邊界的橫坐標(biāo)為x′。

當(dāng)0＜x′＜3m時(shí)，如圖2，設(shè)粒子離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)的速度偏向角為θ′，

則：           （2分）

又：          （2分）

由上兩式得：     （1分）

當(dāng)3m≤≤5m時(shí)，如圖3，

有      （2分）

將y=1m及各數(shù)據(jù)代入上式得：

         （2分）

【解析】略