如图所示,在同时存在匀强电场和匀强磁场的空间中取正交坐标系Oxyz(x轴正方向水平向右,y轴正方向竖直向上).匀强磁场方向与Oxy平面平行,且与x轴的夹角为45°,重力加速度为g.
(1)一质量为m、电荷量为+q的带电质点沿平行于z轴正方向以速度v0做匀速直线运动,求满足条件的电场强度的最小值Emin及对应的磁感应强度B;
(2)在满足(1)的条件下,当带电质点通过y轴上的点P(0,h,0)时,撤去匀强磁场,求带电质点落在Oxz平面内的位置;
(3)当带电质点沿平行于z轴负方向以速度v0通过y轴上的点P(0,h,0)时,改变电场强度大小和方向,同时改变磁感应强度的大小,要使带点质点做匀速圆周运动且能够经过x轴,问电场强度E和磁感应强度B大小满足什么条件?
(1)如图1所示,带电质点受到重力mg(大小及方向均已知)、洛伦兹力qv0B(方向已知)、电场力qE(大小及方向均未知)的作用做匀速直线运动.根据力三角形知识分析可知:当电场力方向与磁场方向相同时,场强有最小值Emin.根据物体的平衡规律有
qEmin=mgsin45°
qv0B=mgcos45°
解得Emin=
mg2 2q
B=
mg2 2qv0
(2)如图2所示,撤去磁场后,带电质点受到重力mg和电场力qEmin作用,其合力沿PM方向并与v0方向垂直,大小等于qv0B=
mg,故带电质点在与Oxz平面成45°角的平面内作类平抛运动.2 2
由牛顿第二定律 qv0B=ma
解得 a=
g 2 2
设经时间t到达Oxz平面内的点N(x,y,z),由运动的分解可得
沿v0方向 Z=v0t
沿PM方向 PM=
at21 2
又 PM=h sin45°
x=htan45°
联立解得 x=h
z=2v0h g
则带电质点落在N(h,0,2v0
)点 h g
(3)当电场力和重力平衡时,带点质点才能只受洛伦兹力作用做匀速圆周运动
则有:Eq=mg
得:E=mg q
要使带点质点经过x轴,圆周的直径为
h2
根据qv0B=mv02 r
得B=
mv02 2qh
答:(1)电场强度的最小值为
,对应的磁感应强度为
mg2 2q
;
mg2 2qv0
(2)在满足(1)的条件下,当带电质点通过y轴上的点P(0,h,0)时,撤去匀强磁场,带电质点落在Oxz平面内的位置坐标为(h,0,2v0
);h g
(3)当带电质点沿平行于z轴负方向以速度v0通过y轴上的点P(0,h,0)时,改变电场强度大小和方向,同时改变磁感应强度的大小,要使带点质点做匀速圆周运动且能够经过x轴,电场强度E为
,磁感应强度为mg q
.
mv02 2qh