问题 计算题

如图所示,在光滑绝缘水平面上有直角坐标系xoy,将半径为R=0.4m,内径很小、内壁光滑、管壁极薄的圆弧形绝缘管AB水平固定在第二象限内,它的A端和圆心都在y轴上,B端在x轴上,与y轴负方向夹角θ=60º。在坐标系的第一、四象限不同区域内存在着四个垂直于水平面的匀强磁场, a、b、c为磁场的理想分界线,它们的直线方程分别为;在a、b所围的区域Ⅰ和b、c所围的区域Ⅱ内的磁感应强度分别为,第一、四象限其它区域内磁感应强度均为。当一质量m =1.2×10﹣5、电荷量q =1.0×10﹣6C,直径略小于绝缘管内径的带正电小球,自绝缘管A端以v =2.0×10﹣2 m/s的速度垂直y轴射入管中,在以后的运动过程中,小球能垂直通过c、a,并又能以垂直于y轴的速度进入绝缘管而做周期性运动。求:

(1)的大小和方向;

(2)的大小和方向;

(3)在运动的一个周期内,小球在经过第一、四象限的过程中,在区域Ⅰ、Ⅱ内运动的时间与在区域Ⅰ、Ⅱ外运动的时间之比。 

答案

(1)T 方向垂直水平面向下(2) (3)

(1)小球在第一象限过a做半径为R的匀速圆周运动

由牛顿第二定律有:       (2分)

解得:         ①

代入数据得:T        (2分)

由左手定则知方向垂直水平面向下.(2分)

(2)要使小球不停的做周期性运动,则区域Ⅰ、Ⅱ内小球运动的半径应相等,区域Ⅰ、Ⅱ的磁感应强度应等大反向,的方向为垂直水平面向下,的方向为垂直水平面向上                   (2分)

小球做周期性运动的径迹如图甲.

设在区域Ⅱ、Ⅰ内小球的圆心为,小球圆周运动的半径为,偏转角为,如图乙所示.

由几何知识知:②(1分)

     ③(1分)

             ④(1分)

解②③④得          ⑤(2分)

                      (2分)

                    ⑥(1分)

解④⑤得            

则有:  (2分)

(3)由知:

小球在第4象限过c以前做匀速圆周运动时间为        ⑦(2分)

小球在区域Ⅰ、区域Ⅱ做匀速圆周运动时间共为        ⑧(1分)

小球在第1象限区域Ⅰ以上做匀速圆周运动时间为      ⑨(1分)

设在运动的一个周期内,小球在通过第一、四象限的过程中,在区域Ⅰ、Ⅱ内运动的时间与在区域Ⅰ、Ⅱ外时间之比为 则                    ⑩

解⑤⑥⑦⑧⑨⑩得             (2分)

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