平面直角坐标系xOy中,第1象限存在沿y轴负方向的匀强电场,第Ⅳ象限存在垂直于坐标平面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B.一质量为m、电荷量为q的带正电的粒子从y轴正半轴上

◎ 题目

平面直角坐标系xOy中,第1象限存在沿y轴负方向的匀强电场,第Ⅳ象限存在垂直于坐标平面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B.一质量为m、电荷量为q的带正电的粒子从y轴正半轴上的M点以速度v0垂直于y轴射入电场,经x轴上的N点与x轴正方向成60°角射入磁场,最后从y轴负半轴上的P点与y轴正方向成600角射出磁场,如图所示.不计粒子重力,求
(1)粒子在磁场中运动的轨道半径R;
(2)粒子从M点运动到P点的总时间t;
(3)匀强电场的场强大小E.

◎ 答案


(1)设粒子过N点时的速度为v,根据平抛运动的速度关系
v=
v0
cos60°

分别过N、P点作速度方向的垂线,相交于Q点,则Q是粒子在磁场中做匀速圆周运动的圆心,根据牛顿第二定律 qvB=
mv2
R

联立①②解得轨道半径 R=
2mv0
qB

(2)设粒子在电场中运动的时间为t1,有 ON=v0t1
由几何关系得 ON=Rsin30°+Rcos30°⑤
联立③④⑤解得 t1=
(1+

3
)m
qB

粒子在磁场中做匀速圆周运动的周期 T=
2πm
qB

由几何关系知∠NQP=150°,设粒子在磁场中运动的时间为t2
t2=
150°
360°
T⑧
联立⑦⑧解得 t2=
5πm
6qB

故粒子从M点运动到P点的总时间 t=t1+t2=(1+

3
+
6
m
qB

(3)粒子在电场中做类平抛运动,设加速度为a,运动时间为t
由牛顿第二定律:qE=ma (11)
设沿电场方向的分速度为vy
vy=at(12)
粒子在电场中x轴方向做匀速运动,由图根据粒子在磁场中的运动轨迹可以得出:
粒子在x轴方向的位移:Rsin30°+Rcos30°=v0t (13)
又:vy=v0tan60°(14)
联立(11)(12)(13)(14)可以解得E=
(3-

3
)v0B
2

答:(1)粒子在磁场中运动的轨道半径为
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2mv0
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如图甲所示,直角坐标系中直
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如图所示,两平行金属板A,B
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静止在匀强磁场中的某放射性