问题 问答题

如图甲所示,在光滑绝缘的水平桌面上建立一xoy坐标系,平面处在周期性变化的电场和磁场中,电场和磁场的变化规律如图乙所示(规定沿+y方向为电场强度的正方向,竖直向下为磁感应强度的正方向).在t=0时刻,一质量为10g、电荷量为0.1C的带电金属小球自坐标原点O处,以v0=2m/s的速度沿x轴正方向射出.已知E0=0.2N/C、B0=0.2πT.求:

(1)t=1s末速度的大小和方向;

(2)1s~2s内,金属小球在磁场中做圆周运动的半径和周期;

(3)(2n-1)s~2ns(n=1,2,3,…)内金属小球运动至离x轴最远点的位置坐标.

答案

(1)在0~1s内,金属小球在电场力作用下,在x轴方向上做匀速运动vx=v0,y方向做匀加速运动vy=

qE0
m
t1

1s末粒子的速度v1=

v2x
+
v2y
=2
2
m/s

设v1与x轴正方向的夹角为α,则tanα=

vy
vx
=1,故α=450

(2)在1s~2s内,粒子在磁场中做圆周运动,由牛顿第二定律,得qv1B0=

m
v21
R1
,解得R1=
mv1
qB0
=
2
π
m                   

粒子做圆周运动的周期T=

2πm
qB0
=1s

(3)粒子运动轨迹如图1所示

(2n-1)s末粒子的横坐标为x=v0t=2n(m)                   

纵坐标为:y=

1
2
at2=
1
2
×
qE0
m
×n2=n2(m)                     

此时粒子的速度为:vn=

v20
+(
qE0
m
×n)
2
=2
n2+1
 m/s

速度偏向角的正切值为:tanθ=

vy
v0
=
qE0
m
×n
v0
=n

带电粒子在(2n-1)s~2ns(n=1,2,3…)内做圆周运动的轨迹如图2所示,半径Rn=

mvn
qB0
=
n2+1
π
m      

(2n-1)s~2ns(n=1,2,3,…)内粒子运动至离x轴最远点横坐标为:X=x-Rnsinθ=(2n-

n
π
)m             

纵坐标为:Y=y+Rn(1+cosθ)=(n2+

n2+1
π
+
1
π
)m     

答:(1)t=1s末速度的大小为2

2
m/s,方向与x轴成45°角;

(2)1s~2s内,金属小球在磁场中做圆周运动的半径为

2
π
m,周期为1s;

(3)(2n-1)s~2ns(n=1,2,3,…)内金属小球运动至离x轴最远点的位置坐标为((2n-

n
π
)m,(n2+
n2+1
π
+
1
π
)
m).

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