问题 计算题

如图所示,直角坐标系xoy位于竖直平面内,在‑m≤x≤0的区域内有磁感应强度大小B = 4.0×10-4T、方向垂直于纸面向里的条形匀强磁场,其左边界与x轴交于P点;在x>0的区域内有电场强度大小E = 4N/C、方向沿y轴正方向的条形匀强电场,其宽度d = 2m。一质量m = 6.4×10-27kg、电荷量q =3.2×10‑19C的带负电粒子从P点以速度v = 4×104m/s,沿与x轴正方向成α=60°角射入磁场,经电场偏转最终通过x轴上的Q点(图中未标出),不计粒子重力。求:

⑴带电粒子在磁场中运动时间;

⑵当电场左边界与y轴重合时Q点的横坐标;

⑶若只改变上述电场强度的大小,要求带电粒子仍能通过Q点,讨论此电场左边界的横坐标x′与电场强度的大小E′的函数关系。

答案

  ⑵x=5m   ⑶

题目分析:⑴带电粒子在磁场中做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,根据牛顿第二定律有              

代入数据得:      

轨迹如图1交y轴于C点,过P点作v的垂线交y轴于O1点,

由几何关系得为粒子运动轨迹的圆心,且圆心角为60°。 

在磁场中运动时间                      

代入数据得:                                

⑵带电粒子离开磁场垂直进入电场后做类平抛运动

方法一:

粒子在电场中加速度

运动时间             

沿y方向分速度   

沿y方向位移          

粒子出电场后又经时间t2达x轴上Q点

故Q点的坐标为       

方法二:

设带电粒子离开电场时的速度偏向角为θ,如图1,则:

设Q点的横坐标为x

则:                 

故x=5m。                          

⑶电场左边界的横坐标为x′。

当0<x′<3m时,如图2,

设粒子离开电场

时的速度偏向角为θ′,

则:          

又:         

由上两式得:    

当3m≤≤5m时,如图3,

     

将y=1m及各数据代入上式得:  

点评:此题要求首先要分析粒子在各个区域内的运动情况,必要时画出粒子的运动轨迹图,了解图中的几何关系.利用粒子在电场中偏转时的速度的合成与分解,解决电子在电场中运动的相关问题;利用粒子在匀速圆周运动的半径和周期公式,结合洛伦兹力提供向心力可解答粒子在磁场中运动的相关问题。

单项选择题
单项选择题