如图所示,在xoy平面内第二象限存在水平向左的匀强电场,场强为E,第一象限和第四象限存在垂直纸面向里的匀强磁场.有一质量为m,电荷量为e的电子,从x轴上的P点以某一初速度垂直于x轴进入电场,而后经过y轴上A点进入右侧磁场做圆周运动,轨迹交于x轴上的C点,电子在C点的速度垂直于x轴指向y轴负方向,继续运动从y轴上的某点离开磁场.已知P点坐标(-L,0),A点坐标(0,2L),忽略电子所受重力.求:
(1)电子从P点进入电场时的初速度大小;
(2)匀强磁场的磁感应强度B的大小;
(3)电子从P点进入电场到离开磁场所经历的时间.
(1)电子在电场中做类平抛运动,
在x轴方向上做初速度为零的匀加速直线运动,
由牛顿第二定律得:eE=ma,
位移:x=L=
at12,1 2
解得:t1=
;2mL eE
在y轴方向上做匀速直线运动,
位移:y=2L=v0t1,
解得:v0=
;2eEL m
(2)设电子经过A点时速度的大小为v,
x轴方向分速度:vx=at=
,2eEL m
y轴方向分速度:vy=v0=
,2eEL m
电子进入磁场时的速度:v=
=vx2+vy2
v0=22
,eEL m
设v的方向与y轴夹角为θ,
则有:cosθ=
=vy v
,θ=450.2 2
电子在磁场中做匀速圆周运动,如图所示,
由牛顿第二定律得:evB=m
,v2 R
由图中几何关系可知,R=
=22L cosθ
L,2
解得:B=
;mE 2eL
(3)电子在磁场中做匀速圆周运动的周期:T=
,2πR v
解得:T=
=2π2πm eB
,2mL eE
电子在磁场中运动的时间为t2,由图中几何关系可知电子转过的圆心角为
.3π 2
电子在匀强磁场中的运动时间:t2=
T=3 4 3π 2
,2mL eE
电子在电场中运动的时间:t1=
,2mL eE
电子的运动时间:t=t1+t2=
+2mL eE 3π 2
=2mL eE 3π+2 2
;2mL eE
答:(1)电子从P点进入电场时的初速度大小为
;2eEL m
(2)匀强磁场的磁感应强度B的大小为
;mE 2eL
(3)电子从P点进入电场到离开磁场所经历的时间为3π+2 2
.2mL eE