- 带电粒子在混合场中的运动
- 共247题
在xOy平面内,直线OP与y轴的夹角α=45°。第一、第二象限内存在方向分别为竖直向下和水平向右的匀强电场,电场强度大小均为E=1.0×105 N/C;在x轴下方有垂直于纸面向外的匀强磁场,磁感应强度B=0.1T,如图所示。现有一带正电的粒子从直线OP上某点A(-L, L)处静止释放。设粒子的比荷=4.0×107 C/kg,粒子重力不计。求:
(1)若L=2 cm,粒子进入磁场时与x轴交点的横坐标及粒子速度的大小和方向;
(2)如果在直线OP上各点释放许多个上述带电粒子(粒子间的相互作用力不计),试证明各带电粒子进入磁场后做圆周运动的圆心点的集合为一抛物线。
正确答案
见解析。
解析
(1)粒子在第二象限匀加速直线的过程:
得v1=4×105 m/s
粒子在第一象限做类平抛运动:
x=v1t
得x=2L=0.04 m
vx=v1=4×105 m/s
vy=at=4×105 m/s
设粒子进入磁场时速度方向与x轴正方向的夹角为θ,
则θ=45°
粒子进入磁场时的速度为
与x轴正方向成45°角斜向下。
(2)L取任意值时均有:
x0=2L, θ=45°,
粒子在磁场中做匀速圆周运动时,
代入数据得: R=
所以圆心的坐标为:
,
R=代入并消去L,得
x=4y2+y
此方程为一抛物线方程。
知识点
静电喷漆技术具有效率高、浪费少、质量好、有益于健康等优点,其装置可简化如图。A、B为水平放置的间距d =1.6m的两块足够大的平行金属板,两板间有方向由B指向A的匀强电场,场强为E =0.1V/m。在A板的中央放置一个安全接地的静电油漆喷枪P,油漆喷枪可向各个方向均匀地喷出初速度大小均为V0=6m/s的油漆微粒,已知油漆微粒的质量均为m=1.010-5kg、电荷量均为q=-1.0
10-3C,不计油漆微粒间的相互作用、油漆微粒带电对板间电场和磁场的影响及空气阻力,重力加速度g=10m/s2。求:
(1)油漆微粒落在B板上所形成的图形面积;
(2)若让A、B两板间的电场反向,并在两板间加垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度B=0.06T,调节喷枪使油漆微粒只能在纸面内沿各个方向喷出,其它条件不变。B板被油漆微粒打中的区域的长度;
(3)在满足(2)的情况下,打中B板的油漆微粒中,在磁场中运动的最短时间。
正确答案
见解析
解析
(1)油漆微粒的加速度 ①
根据运动学 ②
运动的半径 ③
落在板上所形成圆形面积
④
由①②③式并代入数据得 ⑤
(2)当电场反向 ⑥
油漆微粒做匀速圆周运动,洛伦兹力充当向心力
⑦
水平向右射出的油漆微粒打在板的右端,根据几何关系
⑧
的长度
⑨
打在板左端的油漆微粒为和板相切的微粒,同理求得
⑩
油漆微粒打在极板上的长度
由⑥⑦⑧⑨⑩式并代入数据得
(3)打在板上的微粒中,
最短的弦长对应的时间最短
有几何关系
运动的最短时间
微粒在磁场中运动的周期
由式代入数据解得
评分标准:①②③④⑤式每式各1分,第一问共5分;⑥⑨式每式各1分。⑦⑧⑩式每式各2分,第二问共计10分。明确打在板上的微粒中,
最短的弦长对应的时间最短1分,
式每式各1分,第三问共计5分。
知识点
地面附近水平虚线MN的下方存在着正交的匀强电场和匀强磁场,电场强度为E,磁感应强度为B,如图所示。一带电微粒自距MN为h的高处由静止下落,从P点进入场区,沿半圆圆弧POQ运动,经圆弧的最低点O从Q点射出。重力加速度为g,忽略空气阻力的影响。下列说法中错误的是
正确答案
解析
略
知识点
在直角坐标系的第一象限内存在按如图所示规律变化的磁场,磁场的左边界与轴重合,右边界与x轴成30°角;第二象限内存在磁感应强度为
的匀强磁场;第三象限内存在与y方向成45°的匀强电场,电场强度大小为E。一质量为m、电荷量为
的带电粒子从(0,-a)点由静止释放,从(-a,0)点进入第二象限并垂直y轴离开第二象限。若磁场方向垂直于纸面向外时磁感应强度为正值,t=0时粒子进入第一象限,不计粒子重力,求:
(1)粒子进入第二象限时的速度大小和在第三象限内运动的时间;
(2)粒子离开第二象限时的位置和在第二象限内运动的时间;
(3)B3为多大时粒子刚好能离开第一象限内的磁场区域。
正确答案
(1),
(2)粒子离开第二象限时的y轴坐标:y=;
(3)T0=
解析
(1)粒子在电场中运动时:
解得: ,
(2)由牛顿第二定律得,解得
粒子离开第二象限时的y轴坐标:
粒子在第二象限内运动时
(3)如图,相切时粒子刚好能离开第一象限内的磁场区域
0~内由
得
磁场的变化时间正好等于1/4周期,轨迹为1/4圆周,此后粒子经历4B0磁场
由图象知粒子整好运动了一个周期,轨迹为一完整圆周。在磁场为B3中运动时
知识点
如图所示,水平线QC下方是水平向左的匀强电场;区域Ⅰ(梯形PQCD)内有垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度为B;区域Ⅱ(三角形APD)内也有垂直纸面向里的匀强磁场,但是磁感应强度大小可以与区域Ⅰ不同;区域Ⅲ(虚线PD之上、三角形APD以外)有垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度与区域Ⅱ内磁感应大小相等。三角形AQC是边长为2L的等边三角形,P、D分别为AQ、AC的中点.带正电的粒子从Q点正下方、距离Q点为L的O点以某一速度射出,在电场力作用下从QC边中点N以速度v0垂直QC射入区域Ⅰ,接着从P点垂直AQ射入区域Ⅲ。若区域Ⅱ、Ⅲ的磁感应强度大小与区域Ⅰ的磁感应强度满足一定的关系,此后带电粒子又经历一系列运动后又会以原速率返回O点.(粒子重力忽略不计)求:
(1)该粒子的比荷;
(2)粒子从O点出发再回到O点的整个运动过程所有可能经历的时间.
正确答案
见解析
解析
(1)根据牛顿第二定律和洛仑兹力表达式有…………①(3分)
代入R=L,解得…………②(2分)
(2)带电粒子在电磁场中运动的总时间包括三段:电场中往返的时间t0、区域I中的时间t1、区域Il和Ⅲ中的时间,根据平抛运动规律有
………… ③(2分)
设在区域Ⅰ中的时间为t1,则…………④(2分)
若粒子在区域Ⅱ和Ⅲ内的运动如图甲所示,则总路程为(2n+5/6)个圆周,根据几何关系有
………… ⑤(2分)
解得 其中n=0,l,2……
区域Ⅱ和Ⅲ内总路程为 ………… ⑥(2分)
知识点
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