如图所示,一长为L的薄壁玻璃管放置在水平面上,在玻璃管的a端放置一个直径比玻璃管直径略小的小球,小球带电荷量为-q、质量为m。玻璃管右边的空间存在方向竖直向上、磁感应强度为B的匀强磁场。磁场的左边界与玻璃管平行,右边界足够远。玻璃管带着小球以水平速度v0垂直于左边界向右运动,由于水平外力的作用,玻璃管进入磁场后速度保持不变,经一段时间后小球从玻璃管b端滑出并能在水平面内自由运动,最后从左边界飞离磁场。设运动过程中小球的电荷量保持不变,不计一切阻力。求:
(1)小球从玻璃管b端滑出时速度的大小;
(2)从玻璃管进入磁场至小球从b端滑出的过程中,外力F随时间t变化的关系;
(3)小球飞离磁场时速度的方向。
解:(1)如图所示,小球在管中运动的加速度为 ①
设小球运动至b端时的y方向速度分最为vy,则vy2=2aL ②
又 ③
由①~③式,可解得小球运动至b端时速度大小为 ④
(2)由平衡条件可知,玻璃管受到的水平外力为:F=Fx=Bvyq ⑤
⑥
由⑤-⑥式可得外力随时间变化关系为 ⑦
(3)设小球在管中运动时间为t0,小球在磁场中做圆周运动的半径为R,轨迹如图所示,t0时间内玻璃管的运动距离x=v0t0 ⑧
⑨
由牛顿第二定律得 ⑩
由几何关系得,
由①-②、⑧-⑩式可得:sinα=0
故α=0°,即小球飞离磁场时速度方向垂直于磁场边界向左