问题 计算题

如图所示,在竖直平面内放置一长为L、内壁光滑的薄壁玻璃管,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着匀强电场与匀强磁场。匀强磁场方向垂直于纸面向外,磁感应强度为B;匀强电场方向竖直向下,电场强度大小为mg/q,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垂直于左边界进入场中向右运动,由于水平外力F的作用,玻璃管进入场中速度保持不变,一段时间后小球从玻璃管b端滑出并能在竖直平面内自由运动,最后从左边界飞离电磁场。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端滑出时的速度大小;

(2)从玻璃管进入磁场至小球从b端滑出的过程中,外力F所做的功;

(3)从玻璃管进入磁场至小球离开场的过程中小球的最大位移。

答案

解:(1)由E=mg/q得Eq=mg,即重力和电场力平衡

所以小球管中运动的加速度为

设小球运动至b端时的y方向速度分量vy

则:vy2=2aL

所以小球运动至b端时速度大小为

(2)由平衡条件可知,玻璃管受到的水平外力为F=Fx=Bvyq

解得外力随时间变化关系为

设小球在管中运动时间为t

又x=v0t

小球管中运动时,F是变力,且随玻璃管的位移增加而均匀变化,F所做的功可为

或:对系统用动能定理

(3)设小球在磁场中作圆周运动的半径为R,运动轨迹如图所示:

t时间内玻璃管运动距离

由牛顿第二定律得

由几何关系得

所以

可得sinα=0

故α=0°,即小球飞离磁场时方向垂直于磁场边界向左

小球在磁场中运动的最大位移为s=L+R(1+cosθ)

解答题
单项选择题