问题 问答题

如图所示,虚线 lll2、将无重力场的空间分成三个区域,I 区内存在水平向右的匀强电场E和垂直纸面向里的匀强磁场Bl,Ⅱ区内以水平线 CO 为分界,上方存在着竖直向上的匀强电场E2,下方存在着竖直向下的匀强电场E3Ⅲ区内存在以l2为左边界、右边无界的垂直纸面向里的匀强磁场B2,在 I 区内有一段粗糙、长为 L 的水平放置塑料直管道 AC,一可视为质点的带正电小球(直径比管内径略小)的质量为 m、带电量为 q,现将小球从管道内 A 处由静止释放,运动至管道内离 A 点距离为 L0 的 B 点处时达到稳定速度 v0,后进入Ⅱ区向下偏转,从边界l2上的 D 点进入Ⅲ区,此时速度方向与水平方向的夹角为β,最后小球恰能无碰撞的从 C处进入管道.已知:

q
m
=0.01C/kg,E1=l00N/C,E2=E3=300N/C,β=600,Bl=103T,L=5m L 0=4m小球与管道间动摩擦因数为μ=0.1,求:

( l )小球在管道内运动的稳定速度 v0 值;

( 2 )Ⅲ区内匀强磁场 B2的值; 

( 3 )从 A 处开始至从 C 处进入管道的过程中,小球的运动时间t.

答案

(1)小球在管道内达到稳定速度时,合力为零,在水平方向上有:

         qE1=μqv0B1

         解得:v0=

E1
μB1
=
100
0.1×103
=1m/s

(2)小球在从C到D的过程中,做类平抛运动,设加速度为a,在D点时竖直方向上的分速度为vy,OD间的距离为d,在D点时,速度关系为:

         tanβ=

vy
v0

代入数据解得:

        vy=

3
m/s

在竖直方向上,由运动学公式有:

        

v2y
=2ad

由牛顿运动定律有:

         qE3=ma

以上两式联立并代入数据得:

          d=0.5m

根据题意,为保证小球能无碰撞的从C处进入管道,小球在Ⅲ区内做匀速圆周运动的圆弧是关于CO对称的,圆心O'必在CO的延长线上.(如图所示)

由几何关系得:

          R=

d
sin30°
=
0.5
0.5
=1m

          vD=

v20
+
v2y
=2m/s

小球在Ⅲ区内做匀速圆周运动的向心力是洛伦兹力,有:

         qvDB2=m

v2D
R

代入数据解得:

         B2=200T

(3)小球从A点至B点的过程做变加速直线运动,设小球从A运动至B点所需要的时间为t1,由牛顿第二定律得:

        qE1-μqvB1=m

△v
△t

由动量定理有:

∑(qE1△t)-∑(μqvB1△t)=∑(m△v)

        即为:qE1t1-μqB1L0=mv0

带入数据解得:t1=5s

小球从B匀速运动到C所需的时间为:

         t2=

L-L0
v0
=
5-4
1
=1s

小球在Ⅱ区的运动总时间为:

         t3=

2vy
a
=1.15s

小球在Ⅲ区内运动时间为:

        t4=

5
6
T=
5πm
3qB2
=2.62s

则小球从A处开始至从C处进入管道的过程中,运动时间t为:

        t=t1+t2+t3+t4=9.77s

答:(1)小球在管道内运动的稳定速度为1m/s.

    (2)Ⅲ区内匀强磁场 B2的值为200T. 

    (3)从 A 处开始至从 C 处进入管道的过程中,小球的运动时间为9.77s.

单项选择题
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