- 运动电荷在磁场中受到的力——洛仑兹力
- 共2261题
(19分)图16为可测定比荷的某装置的简化示意图,在第一象限区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小B=2.0×10-3 T,在x轴上距坐标原点L=0.50 m的P处为粒子的入射口,在y轴上安放接收器.现将一带正电荷的粒子以v=3.5×104 m/s的速率从P处射入磁场,若粒子在y轴上距坐标原点L=0.50 m的M处被观测到,且运动轨迹半径恰好最小,设带电粒子的质量为m,电荷量为q,不计其重力.
(1)求上述粒子的比荷;
(2)为了在M处观测到按题设条件运动的上述粒子,第一象限内的磁场可以局限在一个矩形区域内,求此矩形磁场区域的最小面积,并在图中画出该矩形.
正确答案
(1) 4.9×107 C/kg(2) S=0.25 m2
试题分析:(1)设粒子在磁场中的运动半径为r.如图甲所示,
依题意M、P连线即为该粒子在磁场中做匀速圆周运动的直径,由几何关系得r=①
由洛伦兹力提供粒子在磁场中做匀速圆周运动的向心力,可得qvB=m②
联立①②并代入数据解得
≈4.9×107 C/kg(或5.0×107 C/kg)③
(2)如图乙所示,
所求的最小矩形是MM1P1P,该区域面积
S=2r2④
联立①④并代入数据得
S=0.25 m2
矩形如图乙中MM1P1P(虚线)所示
点评:难度中等,处理带电粒子在磁场中的运动类问题时,首先应根据洛伦兹力方向判断运动轨迹,先找圆心,后求半径,必要的时候要借助几何关系求解
如所图示,y轴右方有方向垂直于纸面的匀强磁场,一个质量为m、电量为q的质子以某一速度V0水平向右通过x轴上的P点,最后从y轴上的M点射出磁场,已知M点到原点的距离为H,质子射出磁场时速度方向与y轴负方向夹角θ=300,求磁感应强度的大小和方向。
正确答案
B=3mV0/2qH方向垂直纸面向外
试题分析:质子在磁场中做匀速圆周运动,圆心为点,半径为r,则由几何关系可知
得
,所以磁感强度
,洛仑兹力总是指向圆心,由左手定则可知磁感强度方向垂直于纸面向里
点评:难度中等,处理此类问题应先找圆心、后求半径,必要的时候借助几何关系作辅助线求解
(19分)在图所示的坐标系中,x轴水平,y轴垂直,x轴上方空间只存在重力场,第Ⅲ象限存在沿y轴正方向的匀强电场和垂直xy平面向里的匀强磁场,在第Ⅳ象限由沿x轴负方向的匀强电场,场强大小与第Ⅲ象限存在的电场的场强大小相等。一质量为m,带电荷量大小为q的质点a,从y轴上y=h处的P1点以一定的水平速度沿x轴负方向抛出,它经过x= -2h处的P2点进入第Ⅲ ]象限,恰好做匀速圆周运动,又经过y轴上的y= -2h的P3点进入第Ⅳ 象限,试求:
⑴质点到达P2点时速度的大小和方向;
⑵第Ⅲ象限中匀强电场的电场强度和匀强磁场的磁感应强度的大小;
⑶质点a进入第Ⅳ象限且速度减为零时的位置坐标
正确答案
(1)v=2,其方向与
轴负向夹角 θ=45°(2)
(3)
(19分)如图所示。
(1)质点在第Ⅱ象限中做平抛运动,设初速度为v0,由
……① (2分)
2h=v0t…… ② (2分)
解得平抛的初速度 (1分)
在P2点,速度v的竖直分量(1分)
所以,v=2,其方向与
轴负向夹角 θ=45° (1分)
(2)带电粒子进入第Ⅲ象限做匀速圆周运动,必有
mg=qE……③ (2分)
又恰能过负y轴2h处,故为圆的直径,转动半径
R= …… ④(1分)
又由 ……⑤ (1分).
可解得 E ="mg/q" (1分);
B = (2分)
(3)带电粒以大小为v,方向与x轴正向夹45°角进入第Ⅳ象限,所受电场力与重力的合力为,方向与过P3点的速度方向相反,故带电粒做匀减速直线运动,设其加速度大小为a,则:
…… ⑥(2分);
由(2分)
由此得出速度减为0时的位置坐标是(1分)
如图9-5所示,足够长的水平绝缘杆MN,置于足够大的垂直纸面向内的匀强磁场中,磁场的磁感强度为B,一个绝缘环P套在杆上,环的质量为,带电量为q的正电荷,与杆间的动摩擦因数为
,若使环以初速度
向右运动,试分析绝缘环克服摩擦力所做的功。
正确答案
当绝缘环以初速度向右运动时,环受重力
、洛仑兹力
及杆的弹力N。由于N的大小、方向与重力和洛仑兹力大小有关,会约束水平方向的摩擦力变化,从而使绝缘环的最终运动可能有三种情况:
(1)若开始时,即
,由于N=0,绝缘环不受摩擦力作用,做匀速直线运动。绝缘环克服摩擦力所做的功
。
(2)若开始时,即
,N方向向上,绝缘环受杆摩擦力作用,做加速度变小的减速运动,直至静止。绝缘环克服摩擦力所做的功
。
(3)若开始时,即
, N方向向下,绝缘环受杆摩擦力作用,做减速直线运动,洛仑兹力
不断减小,当
时,N=0,绝缘环不受摩擦力作用,做匀速直线运动,即最终速度
。绝缘环克服摩擦力所做的功:
。
在用阴极射线管研究磁场对运动电荷作用的实验中,将阴极射线管的A、B两极连在高压直流电源的正负两极上.从A极发射出电子,当将一蹄形磁铁放置于阴极射线管两侧,显示出电子束的径迹如图所示,则阴极射线管的A极应接在电源的 极上(选填“正”或“负”);蹄形磁铁的C端为 极(选填“N”或“S”)
正确答案
负 S
试题分析:从图中可以看做,射线从A极射出,所以A接电源的负极,电子向上偏转,故受到向上的洛伦兹力,根据左手定则磁场方向从D指向C,所以C端为S极,
点评:分析本题的关键是知道电子是从阴极射出来的,
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