- 运动电荷在磁场中受到的力——洛仑兹力
- 共2261题
如图所示,质量为m、电荷量为e的电子从坐标原点O处沿xOy平面射入第一象限内,射入时的速度方向不同,但大小均为v0.现在某一区域内加一方向向外且垂直于xOy平面的匀强磁场,磁感应强度大小为B,若这些电子穿过磁场后都能垂直地射到与y轴平行的荧光屏MN上,求:
(1)电子从 y轴穿过的范围;
(2)荧光屏上光斑的长度;
(3)所加磁场范围的最小面积。
正确答案
(1)设粒子在磁场中运动的半径为R,由牛顿第二定律得:
ev0B=m (2分) 即R= (1分)
电子从 y轴穿过的范围OM =2R=2 (3分)
(2)如图所示,初速度沿x轴正方向的电子沿弧OA运动到荧光屏MN上的P点; (1分)
初速度沿y轴正方向的电子沿弧OC运动到荧光屏MN上的Q点 (1分)
由几何知识可得:PQ=R= (3分)
(3)取与x轴正方向成θ角的方向射入的电子为研究对象,其射出磁场的点为E(x,y),因其射出后能垂直打到屏MN上,故有:
x=-Rsin θ
y=R+Rcos θ
即 x2+(y-R)2=R2
又因为电子沿x轴正方向射入时,射出的边界点为A点;沿y轴正方向射入时,射出的边界点为C点,故所加最小面积的磁场的边界是以(0,R)为圆心、R为半径的圆的一部分,如图乙中实线圆弧所围区域,所以磁场范围的最小面积为:
S=πR2+R2-πR2=(+1)()2 (8分)
略
如图所示,y轴右方向有方向垂直于纸面的匀强磁场,一个质量为m,电量为q的质子以速度v水平向右通过x轴上P点,最后从y轴上的M点射出磁场。已知M点到原点O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=30°,
求:
(1)磁感应强度大小和方向;
(2)适当时候,在y轴右方再加一个匀强电场就可以使质子最终能沿y轴正方向做匀速直线运动,从质子经过P点开始计时,再经多长时间加这个匀强电场?电场强度的大小与方向如何?
正确答案
(1),垂直纸面向里(2)
试题分析:(1)根据题意做出运动图示,根据几何知识得:,解得:
又由得:
,方向垂直纸面向里
(2)沿y轴正方向做匀速直线运动,说明v沿+y方向,根据左手定则,水平向左,沿x方向,则qE应水平向右,这样y方向不受力,粒子做匀速直线运动,满足
所以应从P电经过时加这个电场,其场强E,周期
,经
,解得
点评:带电粒子在磁场中运动的题目解题步骤为:定圆心、画轨迹、求半径,同时还利用圆弧的几何关系来帮助解题.
在xOy平面内,x>0的区域存在垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为B=0.4T;
x < 0的区域存在沿x轴正方向的匀强电场。现有一质量为m = 4.0×10-9kg,带电量为
q = 2.0×10-7 C的正粒子从x轴正方向上的M点以速度v0=20m/s进入磁场,如图所示,v0与x轴正方向的夹角θ=45°,M点与O点相距为l=m。已知粒子
能以沿着y轴负方向的速度垂直穿过x轴负半轴上的N点,不计粒子重力。求:
(1)粒子穿过y轴正半轴的位置以及穿过y轴正半轴时速度与y轴的夹角;
(2) x<0区域电场的场强;
(3)试问粒子能否经过坐标原点O? 若不能,请说明原因;若能,请求出粒子从M点运动到O点所经历的时间。
正确答案
(1)450
(2)E=2V/m≈2.82 V/m…2’
(3)t=(π/8+0.2)s≈0.59s …
(1)粒子在磁场中运动时,由洛仑兹力提供向心力 Bqv0=mv02/R……2’ 得:R=1m
过M点做初速度v0的垂线交y轴正方向于P点,则PM=l/cos450 得:PM=2m=2R ……1’
由几何关系得PM为轨迹圆直径,P点即为粒子穿过y轴正半轴的位置 OP=PM sin450=m ………2’ 由圆的对称性得此处速度与y轴夹角为θ=450 ……1’
(2)设粒子由P点到N点历时t1,则: x方向:v0sin450-Eqt1/m=0 ………2’
y方向:v0t1cos450=OP …………2’ 联立求解,代入数据得:t1=0.1s E=2V/m≈2.82 V/m…2’
(3)粒子能到达O点 …………1’ 粒子在磁场中的运动周期为:T=2πm/Bq ………2’
从M点运动到O点经过的轨迹如图:(略)经历的时间为:t=T/2+3T/4+2t1 ………2’
代入数据得:t=(π/8+0.2)s≈0.59s …
如图所示,在xOy平面内的区域内有一垂直纸面向里的匀强磁场,
区域内有一沿y轴正方向的匀强电场,一质量为m、电荷量为
的带电粒子从y轴上坐标为
的P点以初速度
垂直电场方向开始运动,经过电场和磁场的分界线MN上的Q点飞入下方磁场,磁场沿x轴方向足够宽广,在磁场中粒子恰好不会从磁场下边界飞出,Q点的坐标为
。不考虑重力影响。求:
⑴ 求电场强度大小;
⑵ 求磁场的磁感应强度大小
正确答案
(1)(2)
试题分析:⑴ 在电场中做类平抛运动
竖直方向:……①
水平方向:……②
联立解得:
⑵ 在磁场中做匀速圆周运动,且
由图知……③
洛伦兹力提供向心力:……④
联立③④解得:
点评:本题是磁场和电场组合场问题,考查分析和解决综合题的能力,关键是运用几何知识画出粒子的运动轨迹.
(18分)有人设计了一种带电颗粒的速率分选装置,其原理如题24图所示,两带电金属板间有匀强电场,方向竖直向上,其中PQNM矩形区域内还有方向垂直纸面向外的匀强磁场。一束比荷(电荷量与质量之比)均为的带正电颗粒,以不同的速率沿着磁场区域的水平中心线O’O进入两金属板之间,其中速率为v0的颗粒刚好从Q点处离开磁场,然后做匀速直线运动到达收集板。重力加速度为g,PQ=3d,NQ=2d,收集板与NQ的距离为l,不计颗粒间相互作用。求
(1)电场强度E的大小;
(2)磁感应强度B的大小;
(3)速率为λv0(λ>1)的颗粒打在收集板上的位置到O点的距离。
正确答案
(1)kg(2)(3)d(5λ-
)+
(1)设带电颗粒的电荷量为q,质量为m,
有qE=mg,
将q/m=1/k代入得,E=kg。
(2)如图,
有qv0B=m
R2=(3d)2+(R-d)2
联立解得B=。
(3)如图所示,有qλv0B=m,
tanθ=。
y1=R1-,y2="l" tanθ。
y= y1+ y2。
联立解得y=d(5λ-)+
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