如图1所示,在x轴上0到d范围内存在电场(图中未画出),x轴上各点的电场沿着x轴正方向,并且电场强度大小E随x的分布如图2所示;在x轴上d到2d范围内存在垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B.一质量为m,电量为+q粒子沿x轴正方向以一定速度从O点进入电场,最终粒子恰从坐标为(2d,d)的P点离开磁场.不计粒子重力.
(1)求在x=0.5d处,粒子的加速度大小a;
(2)求粒子在磁场中的运动时间t;
(3)类比是一种常用的研究方法.对于直线运动,教科书中讲解了由v-t图象求位移的方法.请你借鉴此方法,并结合其他物理知识,求电场对粒子的冲量大小I.
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(1)由图象,x=0.5d处,电场强度为E=0.5E0,由牛顿第二定律得:
qE=ma
解得:a=.
(2)在磁场中运动轨迹如图,设半径为R,由几何关系
R2=d2+(R-d)2
解得:R=d.
设圆弧所对圆心为α,满足:sinα==
解得:α=.
粒子在磁场中做圆周运动,设在磁场中运动的周期为T,粒子在磁场的运动速率为v,
圆运动半径为R,根据牛顿第二定律:
qvB=m
粒子运动的周期T==.
所以,粒子在磁场中运动时间t=T=.
(3)粒子在磁场中做圆周运动,由牛顿第二定律得:
qvB=m,又粒子做圆周运动的半径R=d.
解得粒子在磁场中的运动速度v=.
由图象可知,电场中电场力对粒子做功W=qE0d.
设粒子刚进入电场时速度为v0,根据动能定理:W=mv2-mv02.
解得:v0==.
根据动量定理:I=mv-mv0=-.
答:(1)在x=0.5d处,粒子的加速度大小为.
(2)粒子在磁场中的运动时间为.
(3)电场对粒子的冲量大小为-.