如图甲,空间存在-范围足够大的垂直于xOy平面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B.让质量为m,电量为q(q>0)的粒子从坐标原点O沿xOy平面以不同的初速度大小和方向入射到该磁场中.不计重力和粒子间的影响.
(1)若粒子以初速度v1沿y轴正向入射,恰好能经过x 轴上的A(a,0)点,求v1的大小;
(2)已知一粒子的初速度大小为v(v>v1),为使该粒子能经过A(a,0)点,其入射角θ(粒子初速度与x轴正向的夹角)有几个?并求出对应的sinθ值;
(3)如图乙,若在此空间再加入沿y轴正向、大小为E的匀强电场,一粒子从O点以初速度v0沿y轴正向发射.研究表明:粒子在xOy平面内做周期性运动,且在任一时刻,粒子速度的x分量vx与其所在位置的y坐标成正比,比例系数与场强大小E无关.求该粒子运动过程中的最大速度值vm.
(1)根据运动轨迹可以求出半径为:
r= ①
洛伦兹力提供向心力有:qvB= ②
联立①②解得:v1=
答:v1的大小:v1=.
(2)根据题意可知:O、A两点处于同一圆周上,且圆心在x=的直线上,半径为R.当给定一个初速度v时,有两个入射角,分别在第1、2象限,有
有2个入射角,分别在第1、2象限.由此解得:sinθ=.
答:其入射角θ(粒子初速度与x轴正向的夹角)有2个,sinθ=.
(3)粒子在运动过程中仅有电场力做功,因此在轨道的最高点处速率最大,且此处速度方向水平.用ym表示该处的纵坐标,有:
qEym=m-m…①;
由题意vm=kym…②,
且k与E的大小无关,因此可利用E=0时的状况来求k,E=0时洛伦兹力充当向心力,即
qv0B=m,得R0=,
其中的R0就是对应的纵坐标y0,因此得:
k=,此时带入②得:
ym=,将此式带入①,整理后可得:
-vm-=0,解得:vm=±,舍弃负值,得:
vm=+
答:vm=+.