- 带电粒子在混合场中的运动
- 共247题
如图所示,坐标系xOy在竖直平面内,x轴沿水平方向.x>0的区域有垂直于坐标平面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B1;第三象限同时存在着垂直于坐标平面向外的匀强磁场和竖直向上的匀强电场,磁感应强度大小为B2,电场强度大小为E.x>0的区域固定一与x轴成θ=30°角的绝缘细杆.一穿在细杆上的带电小球a沿细杆匀速滑下,从N点恰能沿圆周轨道运动到x轴上的Q点,且速度方向垂直于x轴.已知Q点到坐标原点O的距离为,重力加速度为g,
,
。空气阻力忽略不计,求:
16.带电小球a的电性及其比荷;
17.带电小球a与绝缘细杆的动摩擦因数μ;
18.当带电小球a刚离开N点时,从y轴正半轴距原点O为的P点(图中未画出)以某一初速度平抛一个不带电的绝缘小球b,b球刚好运动到x轴与向上运动的a球相碰,则b球的初速度为多大?
正确答案
g/E
解析
由带电小球在第三象限内做匀速圆周运动可得:带电小球带正电…(2分)
且 解得:
…
…(2分)
考查方向
解题思路
粒子在第3象限做匀速圆周运动,重力和电场力平衡,洛伦兹力提供向心力,根据平衡条件求解电场强度;
易错点
多物体、多过程、多规律,是典型的三多问题;关键是明确两个小球的运动规律,然后分阶段根据牛顿第二定律、平衡条件、运动学公式、平抛运动的分运动公式列式求解
正确答案
解析
带电小球从N点运动到Q点的过程中,有:
由几何关系有: 联解得:
……(2分)
带电小球在杆上匀速时,由平衡条件有:
……(2分)
解得:……(2分)
考查方向
解题思路
带电小球在第3象限做匀速圆周运动,画出轨迹,结合几何关系得到半径,然后结合牛顿第二定律求解速度;带电小球a穿在细杆上匀速下滑,受重力、支持力和洛伦兹力,三力平衡,根据共点力平衡条件并结合合成法列式求解;
周运动,第2象限做竖直上抛运动,分阶段求解出其经过x轴的时间,然后根据等时性列式.
易错点
多物体、多过程、多规律,是典型的三多问题;关键是明确两个小球的运动规律,然后分阶段根据牛顿第二定律、平衡条件、运动学公式、平抛运动的分运动公式列式求解
正确答案
解析
带电小球在第三象限内做匀速圆周运动的周期:
带电小球第一次在第二象限竖直上下运动的总时间为:……(2分)
绝缘小球b平抛运动垤x轴上的时间为:……(2分)
两球相碰有:……(2分)
联解得:n=1
设绝缘小球b平抛的初速度为v0,则:
解得:……(2分)
考查方向
解题思路
绝缘小球b做平抛运动,根据平抛运动的分运动公式求解运动到x轴的时间;小球a在第3象限做圆周运动,第2象限做竖直上抛运动,分阶段求解出其经过x轴的时间,然后根据等时性列式.
易错点
多物体、多过程、多规律,是典型的三多问题;关键是明确两个小球的运动规律,然后分阶段根据牛顿第二定律、平衡条件、运动学公式、平抛运动的分运动公式列式求解
12.如图所示,在第一象限内有沿y 轴负方向的匀强电场,电场强度为E=4.0×106 N/C。紧靠y 轴存在一方形匀强磁场区域,匀强磁场的磁感应强度B1=0.2T,方向垂直坐标平面向内。在第四象限内有磁感应强度B2=43×10-1 T,方向垂直坐标平面向外的匀强磁场。P 是y 轴上坐标为(0,1)的一点,比荷为1.5×108C/kg的粒子以平行于x 轴的速度v0 从y 轴上的P 点射入,粒子沿直线通过电场、磁场叠加场区域,然后经电场偏转,从x 轴上某点Q 射入匀强磁场B2,粒子刚好能够到y 轴上某点C。(计算结果保留两位有效数字)求:
(1)粒子射出的初速度v0 以及离开x 轴时的速度。
(2)求Q 和C 的坐标。
(3)粒子从P 点出发再次回到y 轴的时间是多少?
正确答案
解析
解析已在路上飞奔,马上就到!
知识点
12.如图a 所示,水平直线MN 下方有竖直向上的匀强电场,现将一重力不计、比荷的正电荷置于电场中的O 点由静止释放,经过1
后,电荷以
的速度通过 MN 进入其上方的匀强磁场,磁场与纸面垂直,磁感应强度B 按图b 所示规律周期性变化(图b 中磁场以垂直纸面向外为正,以电荷第一次通过MN 时为t=0 时刻)。计算结果可用π 表示。
(1)求O 点与直线MN 之间的电势差;
(2)求图 b 中时刻电荷与O 点的水平距离;
(3)如果在O 点右方d=67.5cm 处有一垂直于MN 的足够大的挡板,求电荷从O 点出发运动到挡板所需的时间。
正确答案
解析
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知识点
15.在如图所示的直角坐标系中,x轴的上方有与x轴正方向成角的匀强电场,场强的大小为
,x轴的下方有垂直于
面的匀强磁场,磁感应强度的大小为
。把一个比荷为
的正电荷从坐标为(0,1)的A点处由静止释放.电荷所受的重力忽略不计,求:
(1)电荷从释放到第一次进入磁场时所用的时间t;
(2)电荷在磁场中运动轨迹的半径;
(3)电荷第二次到达x轴上的位置
正确答案
解析
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知识点
11.如图,直线MN 上方有平行于纸面且与MN成45。的有界匀强电场,电场强度大小未知;MN下方为方向垂直于纸面向里的有界匀强磁场,磁感应强度大小为B。今从MN_上的O点向磁场中射入一个速度大小为v、方向与MN成45。角的带正电粒子,该粒子在磁场中运动时的轨道半径为R。若该粒子从O点出发记为第一次经过直线MN,而第五次经过直线MN时恰好又通过O点。不计粒子的重力。
求:
(1)电场强度的大小;
(2)该粒子从O点出发,第五次经过直线MN时又通过O点的时间
(3)该粒子再次从O点进入磁场后,运动轨道的半径;
正确答案
解:粒子的运动轨迹如图,先是一段半径为R的1/4圆弧到a点,接着恰好逆电场线匀减速运动到b点速度为零再返回a点速度仍为,再在磁场中运动一段3/4圆弧到c点,之后垂直电场线进入电场作类平抛运动。
(1)
易知,
类平抛运动的垂直和平行电场方向的位移都为
①
所以类平抛运动时间为
②
又 ③
再者 ④
由①②③④可得
⑤
(2)粒子在磁场中的总时间:
粒子在电场中减速再加速的时间:
故粒子再次回到O点的时间:
(3)(6分)由平抛知识得
所以 [或
]
则第五次过MN进入磁场后的圆弧半径
解析
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知识点
24.如图所示,在xoy平面内,y轴左侧有沿z轴正方向的匀强电场,电场强度大小为E:在O<x<L区域内,X轴上、下方有相反方向的匀强电场,电场强度大小均为2E;在x>L的区域内有垂直于xoy平面的匀强磁场,磁感应强度大小不变、方向做周期性变化.一电荷量为q、质量为朋的带正电粒子(粒子重力不计),由坐标为(-L,)的A点静止释放,
(l)求粒子第一次通过y轴时速度大小;
(2)求粒子第一次射入磁场时的位置坐标及速度:
(3)现控制磁场方向的变化周期和释放粒子的时刻,实现粒子能沿一定轨道做往复运动,求磁场的磁感应强度B大小的取值范围.
正确答案
解:(1)粒子在y轴左侧运动过程由动能定理
(2)进入偏转电场作类平抛运动,得
解得:,
第一次射入磁场时的位置坐标为(,
)
速度大小,方向与x轴正方向成
角斜向上
(3)在磁场中,粒子做匀速圆周运动
由牛顿第二定律得
得轨道半径:
由对称性可知,射出磁场后必须在x轴下方的电场中运动,才能实现粒子沿一定轨道做
往复运动,如图所示,由几何关系得:
当时,轨道半径R最小,对应的磁感应强度B最大,粒子紧贴x轴进入y轴左侧的电场。
由
得最小半径,磁感应强度的最大值
磁感应强度大小取值范围为:
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知识点
25. 如图所示,在以坐标原点O为圆心,半径为R的半圆形区域内,有相互垂直的匀强电场和匀强磁场,电场强度为E,方向沿x轴负方向。匀强磁场方向垂直于xoy平面。一带负电的粒子(不计重力)从P(0,-R)点沿y轴正方向以某一速度射入,带电粒子恰好做匀速直线运动,经时间t0从O点射出。
(1)求匀强磁场的大小和方向;
(2)若仅撤去磁场,带电粒子仍从P点以相同的速度射入,经时间t0/2恰好从半圆形区域的边界射出。求粒子的加速度和射出时的速度大小;
(3)若仅撤去电场,带电粒子从O点沿Y轴负方向射入,且速度为原来的4倍,求粒子在磁场中运动的时间。
正确答案
(1)设带电粒子的质量为m,电荷量为q,初速度为v,磁感应强度为B。可判断出粒子受到的电场力沿x轴正方向,则洛伦兹力沿X轴负方向,于是可知磁感应强度垂直XOY平面向外。
且有 qE=qvB R=vt0 则
(2)仅有电场时,带电粒子在匀强电场中做类平抛运动
在y方向位移 y==
设在水平方向位移为x,因射出位置在半圆形区域边界上,于是
又有 得 a=
设出射速度,出射时水平分速度
,则
则
(3)仅有磁场时,入射速度=4V,带电粒子在匀强磁场中作匀速圆周运动,圆心为C,圆心角为
,如图,
设轨道半径为r,由牛顿第二定律有
又
,
得
由几何关系则
带电粒子在磁场中运动周期
则带电粒子在磁场中运动时间
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知识点
14.如图所示,质量为m、电荷量为+q的粒子从坐标原点O以初速度v0射出,粒子恰好经过A点,O、A两点长度为l,连线与坐标轴+y方向的夹角为α=370,不计粒子的重力.
(1)若在平行于x轴正方向的匀强电场E1中,粒子沿+y方向从O点射出,恰好经过A点;若在平行于y轴正方向的匀强电场E2中,粒子沿+x方向从O点射出,也恰好能经过A点,求这两种情况电场强度的比值
(2)若在y轴左侧空间(第Ⅱ、Ⅲ象限)存在垂直纸面的匀强磁场,粒子从坐标原点O,沿与+y轴成30°的方向射入第二象限,恰好经过A点,求磁感应强度B.
正确答案
(1)在电场E1中:
①
lcosα=vot1②
在电场E2中:
③
lsinα=v0t2④
联立①②③④得:⑤
(2)设轨迹半径为R,轨迹如图所示,可见:OC=2Rsin30°①
由几何知识可得:②
解得:③
又由:④
得:⑤
由③⑤得:,方向垂直纸面向里;
解析
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知识点
25.如图所示,在竖直边界线左侧空间存在一竖直向下的匀强电场,电场强度大小E=100 V/m。电场区域内有一固定的粗糙绝缘斜面AB,其倾角为37,A点距水平地面的高度h=3 m;BC段为一粗糙绝 缘水平面,其长度L=3 m。斜面AB与水平面BC由一光滑小圆弧连接(图中未标出),竖直边界线
右 侧区域固定一半径R=0.5 m的半圆形光滑绝缘轨道,CD为半圆形光滑绝缘轨道的直径,C、D两点紧贴竖 直边界线
,位于电场区域的外部(忽略电场对
右侧空间的影响)。现将一质量m=1 kg、电荷量q=0.1 C的带正电的小物块(可视为质点)置于A点由静止释放,已知该小物块与斜面AB和水平面BC间的动摩擦因数均为
。
(1)求物块到达C点时的速度大小。
(2)求物块到达D点时所受轨道的压力大小。
(3)物块从D点进入电场的瞬间,将匀强电场的方向变为水平方向,并改变电场强度的大小,使物块恰好能够落到B点,求电场强度的大小和方向(取=2.24)。
正确答案
(1)物块由A点至C点的运动过程中,根据动能定理可得:
解得:
(2)物块在由C点至D点的运动过程中,根据机械能守恒定律可得:
+mg2R
物块运动到最高点时,根据牛顿第二定律可得:
联立解得:vD=4m/s,FN=22N
(3)物块进入电场后,沿水平方向做初速度 的匀变速运动,沿竖直方向做自由落体运动,设其沿水平方向上的加速度为a,物体由 点运动到B点所用的时间为t,则有:
L=
解得:, 说明电场方向水平向左
又由
解得:
解析
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知识点
25.如图,ABCD为竖直平面内的光滑绝缘轨道,其中AB段是倾斜的,倾角为370,BC段是水平的,CD段为半径R=0.15 m的半圆,三段轨道均光滑连接,整个轨道处在竖直向下的匀强电场中,场强大小E=5.0×103 V/m。一带正电的导体小球甲,在A点从静止开始沿轨道运动,与静止在C点不带电的相同小球乙发生弹性碰撞,碰撞后速度交换。已知甲、乙两球的质量均为m=1.0×10-2kg,小球甲所带电荷量为q甲=2.0×10-5C,g取10 m/s2,假设甲、乙两球可视为质点,并不考虑它们之间的静电力,且整个运动过程与轨道间无电荷转移。
(1)若甲、乙两球碰撞后,小球乙恰能通过轨道的最高点D,试求小球乙在刚过C点时对轨道的压力;
(2)若水平轨道足够长,在甲、乙两球碰撞后,小球乙能通过轨道的最高点D,则小球甲应至少从距BC水平面多高的地方滑下?
(3)若倾斜轨道AB可在水平轨道上移动,在满足(1)问和能垂直打在倾斜轨道的条件下,试问小球乙在离开D点后经多长时间打在倾斜轨道AB上?
正确答案
解析
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知识点
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