问题 问答题

如图所示,位于竖直平面内的坐标系xoy,在其第三象限空间有沿水平方向的、垂直于纸面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B=0.5T,还有沿x轴负方向的匀强电场,场强大小为E=

2N
C
.在其第一象限空间有沿y轴负方向的、场强大小也为E的匀强电场,并在y>h=0.4m的区域有磁感应强度也为B的垂直于纸面向里的匀强磁场.一个带电荷量为q的油滴从图中第三象限的P点得到一初速度,恰好能沿PO作匀速直线运动(PO与x轴负方向的夹角为θ=45°),并从原点O进入第一象限.已知重力加速度g=10m/s2,问:

(1)油滴在第一象限运动时受到的重力、电场力、洛伦兹力三力的大小之比;

(2)油滴在P点得到的初速度大小;

(3)油滴在第一象限运动的时间以及油滴离开第一象限处的坐标值.

答案

(1)油滴带负电荷,设油滴质量为m,受力如图

由平衡条件结合几何关系得到:

mg:qE:f=1:1:

2

(2)根据洛伦兹力公式,有

f=qvB

mg:qE:qvB=1:1:

2

v=

2
E
B
=4
2
m/s

(3)进入第一象限,电场力和重力相等,知油滴先做匀速直线运动,进入y≥h的区域后做匀速圆周运动,路径如图,最后从x轴上的N点离开第一象限.

由O到A匀速运动位移为S1=

h
sin45°
=
2
h
知运动时间:tt1=
S1
v
=
2
h
2E
B
=
Bh
E
=0.1s

由几何关系和圆周运动的周期关系T=

2πm
qB
知由A→C的圆周运动时间为t2=
1
4
T
=
πm
2qB
,由对称性知从C→N的时间t2=t3

在第一象限运动的总时间 t=t1+t2+t3=

2Bh
E
+
mE
2gB
=0.82s

由在磁场中的匀速圆周运动,有 qvB=m

v2
R
,解得轨道半径R=
mv
qB
=
2
E2
gB2

图中的ON=2(S1cos45°+Rcos45°)=2(h+

E2
gB2
)=4.0m

即油滴在第一象限运动的时间为0.82s,离开第一象限处(N点)的坐标为(4.0m,0).

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