问题 问答题

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,

3
3
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.

答案

(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=

qE0
2m

(2)在磁场中运动轨迹如图,设半径为R,由几何关系

R2=d2+(R-

3
3
d)2

解得:R=

2
3
3
d.

设圆弧所对圆心为α,满足:sinα=

d
R
=
3
2

解得:α=

π
3

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

v2
R

粒子运动的周期T=

2πR
v
=
2πm
qB

所以,粒子在磁场中运动时间t=

α
T=
πm
3qB

(3)粒子在磁场中做圆周运动,由牛顿第二定律得:

qvB=m

v2
R
,又粒子做圆周运动的半径R=
2
3
3
d

解得粒子在磁场中的运动速度v=

2
3
qBd
3m

由图象可知,电场中电场力对粒子做功W=

1
2
qE0d.

设粒子刚进入电场时速度为v0,根据动能定理:W=

1
2
mv2-
1
2
mv02

解得:v0=

v2-
2W
m
=
(
2
3
qBd
3m
)2-
qE0d
m

根据动量定理:I=mv-mv0=

2
3
qBd
3
-
4q2B2d2
3
-qE0dm

答:(1)在x=0.5d处,粒子的加速度大小为

qE0
2m

(2)粒子在磁场中的运动时间为

πm
3qB

(3)电场对粒子的冲量大小为

2
3
qBd
3
-
4q2B2d2
3
-qE0dm

单项选择题
单项选择题