如图所示,在竖直平面内放置一长为L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

◎ 题目

如图所示,在竖直平面内放置一长为L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的复合场.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
.电磁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垂直于左边界向右运动,由于水平外力F的作用,玻璃管进入磁场后速度保持不变,经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端滑出时速度的大小.
(2)从玻璃管进入磁场至小球从b端滑出的过程中,外力F随时间t变化的关系.
(3)通过计算画出小球离开玻璃管后的运动轨迹.
魔方格

◎ 答案

(1)由题意可知:E=
mg
q
,则有qE=mg,电场力与重力平衡,小球在管子中运动的加速度为:
a=
Fy
m
=
Bv0q
m

设小球从玻璃管b端滑出时竖直方向的分速度大小为vy,则:
魔方格

v2y
=2aL

所以小球从玻璃管b端滑出时速度的大小为:
v=

v20
+
v2y
=

v20
+
2Bv0q
m
L

(2)玻璃管向右匀速运动,则有
   F=Fx=Bvyq
又:vy=at=
Bv0q
m
t

则外力F随时间t变化的关系:F=
B2v0q2
m
t

(3)设小球在管中运动时间为t,小球在磁场中做圆周运动的半径为R,轨迹如图1所示.
t时间内玻璃管运动的距离为:x=v0t
根据牛顿第二定律得:qvB=m
v2
R

得:R=
mv
qB

由几何关系有:sinα=
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