如下图甲所示,在以O为坐标原点的xOy平面内,存在着范围足够大的电场和磁场.一个带正电小球在0时刻以v0=3gt0的初速度从O点沿+x方向(水平向右)射入该空间,在t0时刻该空间同时

首页 > 考试 > 物理 > 高中物理 > 牛顿第二定律/2022-10-29 / 加入收藏 / 阅读 [打印]

◎ 题目

如下图甲所示,在以O为坐标原点的xOy平面内,存在着范围足够大的电场和磁场.一个带正电小球在0时刻以v0=3gt0的初速度从O点沿+x方向(水平向右)射入该空间,在t0时刻该空间同时加上如下图乙所示的电场和磁场,其中电场沿+y方向(竖直向上),场强大小E0=
mg
q
,磁场垂直于xOy平面向外,磁感应强度大小B0=
πm
qt0
.已知小球的质量为m,带电量为q,时间单位t0,当地重力加速度g,空气阻力不计.试求:
魔方格

(1)12t0末小球速度的大小.
(2)在给定的xOy坐标系中,大体画出小球在0到24t0内运动轨迹的示意图.
(3)30t0内小球距x轴的最大距离.

◎ 答案

(1)0~t0内,小球只受重力作用,做平抛运动.当同时加上电场和磁场时,电场力:F1=qE0=mg,方向向上,因为重力和电场力恰好平衡,所以在电场和磁场同时存在时小球只受洛伦兹力而做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律有:
qvB0=m
v2
r

运动周期:T=
2πr
v

联立解得:T=2t0
电场、磁场同时存在的时间正好是小球做圆周运动周期的5倍,即在这10t0内,小球恰好做了5个完整的匀速圆周运动.所以小球在t1=12 t0时刻的速度相当于小球做平抛运动t=2t0时的末速度.
vy1=g?2t0=2gt0,所以12t0末:
v1=

v2x
+
v2y1
=

13
gt0

答:12t0末小球速度的大小为

13
gt0

(2)开始12t0时间内小球完成5个圆周运动和部分平抛运动,在接下来的12t0时间运动规律类似,但是小球速度变大,运动班级变大,故24t0内运动轨迹的示意图如右图所示.

魔方格

(3)由下图分析可知,小球在30t0时与24t0时的位置相同,在24t0内小球做了t2=3t0的平抛运动,和半个圆周运动.
23t0末小球平抛运动的竖直分位移大小为:

魔方格

y2=
1
2
g(3t0)2=
9
2
g
t20

竖直分速度:vy2=3gt0
所以小球与竖直方向的夹角为θ=45°,速度大小为:
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