如图甲,在x>0的空间中存在沿y轴负方向的匀强电场和垂直于xoy平面向里的匀强磁场,电场强度大小为E,磁感应强度大小为B.一质量为m,带电量为q(q>0)的粒子从坐标原点O处,以初速度v0沿x轴正方向射入,粒子的运动轨迹见图甲,不计粒子的重力.
(1)求该粒子运动到y=h时的速度大小v;
(2)现只改变入射粒子初速度的大小,发现初速度大小不同的粒子虽然运动轨迹(y-x曲线)不同,但具有相同的空间周期性,如图乙所示;同时,这些粒子在y轴方向上的运动(y-t关系)是简谐运动,且都有相同的周期T=
.2πrn qB
Ⅰ.求粒子在一个周期T内,沿x轴方向前进的距离S;
Ⅱ.当入射粒子的初速度大小为v0时,其y-t图象如图丙所示,求该粒子在y轴方向上做简谐运动的振幅A,并写出y-t的函数表达式.

(1)由于洛伦兹力不做功,只有电场力做功,
由动能定理有-qEh=
mv2-1 2
m1 2
①v 20
由①式解得
v=
②
-v 20 2qEh m
(2)Ⅰ.由图乙可知,所有粒子在一个周期T内沿x轴方向前进的距离相同,
即都等于恰好沿x轴方向匀速运动的粒子在T时间内前进的距离.
设粒子恰好沿x轴方向匀速运动的速度大小为v1,则
qv1B=qE ③
又 S=v1T ④
式中 T=2πm qB
由③④式解得
S=
⑤2πmE qB2
Ⅱ.设粒子在y轴方向上的最大位移为ym(图丙曲线的最高点处),对应的粒子运动速度大小为v2(方向沿x轴),因为粒子在y方向上的运动为简谐运动,因而在y=0和y=ym处粒子所受的合外力大小相等,方向相反,
则
qv0B-qE=-(qv2B-qE) ⑥
由动能定理有 -qEym=
m1 2
-v 22
m1 2
⑦v 20
又 Ay=
ym⑧1 2
由⑥⑦⑧式解得
Ay=
(v0-m qB
)E B
可写出图丙曲线的简谐运动y-t函数表达式为y=
(v0-m qB
)(1-cosE B
t).qB m