问题 计算题

如图所示,为空间直角坐标系,其中y轴正方向竖直向上。在整个空间中存在竖直向下的匀强磁场,磁感应强度大小为B。现有一质量为、电荷量为q(q>0)的带电小球从坐标原点O以速度v0沿x轴正方向射出,重力加速度为g,空气阻力可忽略不计。

(1)若在整个空间加一匀强电场,小球从坐标原点O射出恰好做匀速圆周运动,求所加电场的场强大小以及小球做匀速圆周运动第一次通过z轴的坐标;

(2)若改变第(1)问中所加电场的大小和方向,小球从坐标原点O射出恰好沿x轴做匀速直线运动,求此时所加匀强电场的场强大小;

(3)若保持第(2)问所加的匀强电场不变而撤去原有的磁场,小球从坐标原点O以速度v0沿x轴正方向射出后,将通过A点,已知A点的x轴坐标数值为,求小球经过A点时电场力做功的功率。

答案

解:(1)设所加电场场强大小为E1,由于带电小球从坐标原点O射出在电场和磁场共存的区域做匀速圆周运动,所以带电小球受到的电场力必定与重力平衡,有qE1=mg

解得

设带电小球做匀速圆周运动的半径为R

根据牛顿第二定律和向心力公式

解得

带电小球第一次通过z轴的z坐标:z=-2R=-

(2)设所加电场场强大小为E2,带电小球做匀速直线运动,它所受重力mg、洛伦兹力qv0B以及电场力qE2三力合力为零

因洛伦兹力沿z轴的负方向,重力沿y轴的负方向

所以电场力

解得

(3)当撤去磁场后,带电小球只受电场力和重力作用,这两个力的合力大小为qv0B,方向指向Oz正方向,所以小球在平面做匀变速曲线运动

带电小球沿Ox轴正方向以v0做匀速直线运动,小球从坐标原点O射出,运动到A点所用时间t=

带电小球沿Oz轴正方向做初速为零的匀加速直线运动,其加速度大小

带电小球到A点时沿Oz正方向的分速度大小为

因重力在这个过程中不做功,小球经过A点时,电场力做功的功率等于合外力在此时的瞬时功率

解得PA=qv0Bvz=

单项选择题
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