- 磁场
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“为了您和他人的安全,请您不要在飞机上使用手机和手提电脑.”这句提醒警示语是乘过飞机的游客都听到过的,因为有些空难事故就是由于某些乘客在飞行的飞机中使用手机所造成的.1996年、1998年都出现过此类问题,1999年广州白云机场飞机降落时,机上有四位旅客同时使用手机,使飞机降落偏离了8度,险些造成事故,请问为什么在飞机上不能使用手机和手提电脑呢(包括游戏机)?
正确答案
由于手机使用时要发射电磁波,对飞机会产生电磁干扰,而飞机上的导航系统非常复杂,抗干扰能力又不是很强,若在飞机上使用手机,将对飞机产生电磁干扰,后果不堪设想,所以不能在飞机上使用手机.同理也不能使用手提电脑、游戏机等
由于手机使用时要发射电磁波,对飞机会产生电磁干扰,而飞机上的导航系统非常复杂,抗干扰能力又不是很强,若在飞机上使用手机,将对飞机产生电磁干扰,后果不堪设想,所以不能在飞机上使用手机.同理也不能使用手提电脑、游戏机等
如图所示为某雷达的荧光屏,屏上标尺的最小刻度对应的时间为2×10-4 s.雷达天线朝东方时,屏上波形如图甲;雷达天线朝西方时,屏上波形如图乙.问:雷达在何方发现了目标?目标与雷达相距多远?
正确答案
西方 d="300" km
雷达向东方发射电磁波时,没有反射回来的信号,向西方发射时,有反射回来的信号,所以目标在西方,目标到雷达的距离为
d=c·=
m="300" km.
长为l 的水平极板间有如图所示的匀强磁场,磁感强度为B,板间距离也为l 。
现有一质量为 m 、带电量为 +q 的粒子从左边板间中点处沿垂直于磁场的方向以速度 v0射入磁场,不计重力。要想使粒子不打在极板上,则粒子进入磁场时的速度 v0 应为多少?
正确答案
由F="qvB" 、F=mv2/r得:r="mv/qB " ……(2分)
若刚好从a 点射出,如图:r=mv1/qB=l/4∴ v1="qBl" /4m ……(3分)
若刚好从b 点射出,如图:R2 =" l" 2 + ( R- l/2)2 R=" 5l" /4= mv2/Qb
∴ v2="5qBl" /4m……(3分)
要想使粒子不打在极板上,∴ v0< q B l / 4 m 或 v0> 5 q B l / 4 m ……(2分)
略
(10分)如图12所示,在轴上方有匀强磁场
,一个质量为
,带电量为
的的粒子,以速度
从
点以
角射入磁场,粒子重力不计,求:
(1)粒子在磁场中的运动时间.
(2)粒子离开磁场的位置.
正确答案
粒子做圆周运动点的圆心一定在过O点且与速度垂直的一条直线上.
粒子做圆周运动圆心角为2p-2q,
所以时间
离开磁场的位置与入射点的距离即为弦长
略
如图所示,电容器两极板相距d,两板间电压为U,极板间的匀强磁场的磁感应强度为B1,一束电荷量相同的带正电的粒子从图示方向射入电容器,沿直线穿过电容器后进入另一磁感应强度为B2匀强磁场,结果分别打在a、b两点,两点间距为△R。粒子所带电量为q,且不计粒子所受重力。求:
(1)粒子进入B2磁场时的速度;
(2)打在a、b两点的粒子的质量之差△m是多大?
正确答案
(1)由于粒子沿直线运动,所以:qE=B1qv,v=E/B1=U/dB1 …………………………………………2分
(2)以速度v进入B2的粒子有:…………………………………………2分
………………………2分
………………………2分
略
一束带电量为+q、质量为m的粒子在磁感应强度为 B的匀强磁场中,以初速度υ0垂直于磁场自A点开始运动,如图所示,经时间t,粒子通过C点,连线AC与υ0间夹角θ等于 。若同种正离子以不同的速度仍沿相同方向从A点射入,这些离子 (填“能、”或“不能”)到达C点。
正确答案
qBt/2m 不能
横截面为正方形的匀强磁场磁感应强度为B.有一束速率不同的带电粒子垂直于磁场方向在ab边的中点,与ab边成30°角射入磁场,如图所示,已知正方形边长为L.求这束带电粒子在磁场中运动的最长时间是多少?运动时间最长的粒子的速率必须符合什么条件?(粒子的带电量为+q、质量为m)
正确答案
v≤qBL/3m
粒子从ab边射出时在磁场中运动的时间最长,t=5T/6=5m/3qB. 粒子要从ab边射出它的轨迹就不能碰到ad边,轨迹恰好与ad边相切时R+Rcos60°=L/2, R≤L/3,R=mv/qB,
v≤qBL/3m
图中虚线MN是一垂直纸面的平面与纸面的交线,在平面右侧的半空间存在一磁感应强度为B的匀强磁场,方向垂直纸面向外.O是MN上的一点,从O点可以向磁场区域发射电量为+q、质量为m、速率为v的粒子,粒子射入磁场时的速度可在纸面内各个方向.已知先后射入的两个粒子恰好在磁场中给定的P点相遇,P到O的距离为L.不计重力及粒子间的相互作用.求:
(1)所考察的粒子在磁场中的轨道半径;
(2)这两个粒子从O点射入磁场的时间间隔。
正确答案
(1) R=mv/qB
(2)
(1)设粒子在磁场中做圆周运动的轨道半径为R,由牛顿第二定律得:qvB=mv2/R, R="mv/qB" ①
(2)以OP为弦画两个半径相等的圆弧,分别表示两个粒子的轨道.圆心和直径分别为O1、O2和OO1Q1、OO2Q2,在O处两个圆的切线分别表示两个粒子的射入方向,用θ表示它们之间的夹角,由几何关系得:∠PO1Q1=∠PO2Q2=θ ②
从O点射入到相遇,粒子1的路程为半个圆周加弧长Q1P,且Q1P=Rθ ③
粒子2的路程为半个圆周减弧长Q2P,且Q2P=Rθ ④
粒子1的运动时间为t1=T/2+Rθ/v ⑤
粒子2的运动时间为t1=T/2-Rθ/v ⑥
两例子射入的时间间隔为△t=t1-t2=2Rθ/v ⑦
因Rcoc(θ/2)=L/2解得
θ="2Rarccos(L/2R) " ⑧
由①⑦⑧三式解得:
下图中各图为在磁铁旁边小磁针静止时所处的位置,试判断各图中磁铁的南、北极.
正确答案
(a)右端为S极,左端为N极;(b)左端为N极,右端为S极;(c)左端为N极,右端为S极;(d)左端为S极,右端为N极;(e)两端同为N极或两端同为S极.
自由电子激光器是利用高速电子束射入方向交替变化的磁场,使电子在磁场中摆动着前进,进而产生激光的一种装置.在磁场中建立与磁场方向垂直的平面坐标系xOy,如图8-2-25所示.方向交替变化的磁场随x坐标变化的图线如图8-2-26所示,每个磁场区域的宽度,磁场的磁感应强度大小B=3.75×10-4 T,规定磁场方向垂直纸面向外为正方向.现将初速度为零的电子经电压U=4.5×103 V的电场加速后,从坐标原点沿x轴正方向射入磁场.电子电荷量e=1.6×10-19 C,电子质量m=9×10-31 kg,不计电子的重力,不考虑电子因高速运动而产生的影响.
图8-2-25
图8-2-26
(1)电子从坐标原点进入磁场时的速度大小为多少?
(2)请在图8-2-25中画出x=0至x=4L区域内电子在磁场中运动的轨迹,计算电子通过图8-2-26中各磁场区域边界时位置的纵坐标并在图中标出;
(3)从x=0至x=NL(N为整数)区域内电子运动的平均速度大小为多少?
正确答案
(1)4×107 m/s
(2)见解析
(3)3.82×107 m/s
(1)电子在电场中做加速运动,由动能定理
进入磁场时的速度大小.
(2)如图1所示,进入磁场区域后由洛伦兹力提供向心力
图1
运动半径
在y方向上移动的距离
同理可得Δy2=Δy3=Δy4=Δy1="0.3" m
电子的运动轨迹如图2所示.
图2
(3)磁场方向变化N次时
电子在每一磁场中的偏角,所以
电子在每一磁场中的运动时间
在磁场中运动的总时间
电子运动的平均速度
整理并代入数据得.
如图所示,在一底边长为2a,θ=30°的等腰三角形区域内(D在底边中点),有垂直纸面向外的匀强磁场.现有一质量为m,电量为q的带正电粒子从静止开始经过电势差为U的电场加速后,从D点垂直于EF进入磁场,不计重力和与空气阻力的影响.
(1)若粒子恰好垂直于EC边射出磁场,求磁场的磁感应强度B为多少?
(2)改变磁感应强度的大小,粒子进入磁场偏转后能打到ED板,求粒子从进入磁场到第一次打到ED板的最长时间是多少?
(3)改变磁感应强度的大小,可以再延长粒子在磁场中的运动时间,求粒子在磁场中运动的极限时间.(不计粒子与ED板碰撞的作用时间.设粒子与ED板碰撞前后,电量保持不变并以相同的速率反弹)窗体顶端
正确答案
(1)依题意,粒子经电场加速射入磁场时的速度为v
由 得
………………① (1分)
粒子在磁场中做匀速圆周运动其圆心在E点,如图所示,半径 …………②
由洛仑兹力提供向心力: ………③ (1分)
由①②③式得: (2分)
(2) 粒子速率恒定,从进入磁场到第一次打到ED板的圆周轨迹到EC边相切时,路程最长,运动时间最长.如图,设 圆周半径为r2
由图中几何关系:
得: ……………④ (2分)
最长时间 ………⑤ (2分)
由①④⑤式得: (2分)
(3) 设粒子运动圆周半径为r,越小,后一次打到ED板的点越靠近E端点,在磁场中圆周运动累积路程越大,时间越长.当r为无穷小,经过n个半圆运动,最后一次打到E点.
有: ………………⑥ (2分)
圆周运动周期: …………⑦ (1分)
最长的极限时间: …………⑧ (3分)
由⑥⑦⑧式得: (2分)
略
如图所示,在坐标系Oxy的第一象限中存在沿y轴正方向的匀速磁场,场强大小为E。在其它象限中存在匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向里。A是y轴上的一点,它到坐标原点O的距离为h;C是x轴上的一点,到O的距离为L。一质量为m,电荷量为q的带负电的粒子以某一初速度沿x轴方向从A点进入电场区域,继而通过C点进入磁场区域。并再次通过A点,此时速度方向与y轴正方向成锐角。不计重力作用。试求:
⑴粒子经过C点速度的大小和方向;
⑵磁感应强度的大小B。
正确答案
⑴,与x轴的夹角α=arctan
⑵
⑴以a表示粒子在电场作用下的加速度,有
qE=ma ①
加速度沿y轴负方向。设粒子从A点进入电场时的初速度为v0,由A点运动到C点经历的时间为t,则有
h=at2 ②
l=v0t ③
由②③式得: ④
设粒子从C点进入磁场时的速度为v,v垂直于x轴的分量
⑤
由①④⑤式得: ⑥
设粒子经过C点时的速度方向与x轴的夹角为α,则有
tanα= ⑦
由④⑤⑦式得:α=arctan ⑧
⑵粒子经过C点进入磁场后在磁场中作速率为v的圆周运动。若圆周的半径为R,则有: ⑨
设圆心为P,则PC必与过C点的速度垂直,且有==R。用β表示与y轴的夹角,由几何关系得
Rcosβ=Rcosα+h ⑩
Rsinβ=l-Rsinα ⑾
由⑧⑩⑾式解得: ⑿
由⑥⑨⑿式解得: ⒀
如图所示,在半径为R的绝缘圆筒内有匀强磁场,方向垂直纸面向里,圆筒正下方有小孔C与平行金属板M、N相通。两板间距离为d,两板与电动势为U的电源连接,一带电量为、质量为m的带电粒子(重力忽略不计),开始时静止于C点正下方紧靠N板的A点,经电场加速后从C点进入磁场,并以最短的时间从C点射出。已知带电粒子与筒壁的碰撞无电荷量的损失,且碰撞后以原速率返回。求:
(1)筒内磁场的磁感应强度大小;
(2)带电粒子从A点出发至重新回到A点射出所经历的时间。
正确答案
(1)
(2)
(1)带电粒子从C孔进入,与筒壁碰撞2次再从C孔射出经历的时间为最短。
由
粒子由C孔进入磁场,在磁场中做匀速圆周运动的速率为
由即,
得
(2)粒子从A→C的加速度为
由,粒子从A→C的时间为:
粒子在磁场中运动的时间为
将(1)求得的B值代入,得,
求得:
如图,一半径为r的圆形导线框内有一匀强磁场,磁场方向垂直于导线框所在平面,导线框的左端通过导线接一对水平放置的平行金属板,两板间的距离为d,板长为l,t=0时,磁场的磁感应强度B从B0开始均匀增大,同时,在板2的左端且非常靠近板2的位置有一质量为m、带电量为-q的液滴以初速度v0水平向右射入两板间,该液滴可视为质点。
⑴要使该液滴能从两板间射出,磁感应强度随时间的变化率K应满足什么条件?
⑵要使该液滴能从两板间右端的中点射出,磁感应强度B与时间t应满足什么关系?
正确答案
(1)见解析
(2)
(1)由题意可知:板1为正极,板2为负极 ①
两板间的电压U= ②
而:S=πr2 ③
带电液滴受的电场力:F=qE= ④
故:F-mg=-mg=ma
a=-g ⑤
讨论:
一.若 a>0
液滴向上偏转,做类似平抛运动
y= ⑥
当液滴刚好能射出时:
有 l=v0t t= y=d
故 d= ⑦
由②③⑦得 K1= ⑧
要使液滴能射出,必须满足 y
二.若 a=0
液滴不发生偏转,做匀速直线运动,此时 a=-g=0 ⑨
由②③⑨得 K2= ⑩
液滴能射出,必须满足K=K2
三.若 a<0,、,液滴将被吸附在板2上。
综上所述:液滴能射出,
K应满足 11
(2)B=B0+Kt
当液滴从两板中点射出进,满足条件一的情况,则
用替代⑧式中的d
12
即
一质点在一平面内运动,其轨迹如图所示。它从A点出发,以恒定速率经时间t到B点,图中x轴上方的轨迹都是半径为R的半圆,下方的都是半径为r的半圆。
(1)求此质点由A到B沿x轴运动的平均速度。
(2)如果此质点带正电,且以上运动是在一恒定(不随时间而变)的磁场中发生的,试尽可能详细地论述此磁场的分布情况。不考虑重力的影响。
正确答案
(1)
(2)见解析
(1)由A到B,若上、下各走了N个半圆,则其位移
①
其所经历的时间 ②
所以沿x方向的平均速度为
(2)I. 根据运动轨迹和速度方向,可确定加速度(向心加速度),从而确定受力的方向,再根据质点带正电和运动方向,按洛伦兹力的知识可断定磁场的方向必是垂直于纸面向外。
II. x轴以上和以下轨迹都是半圆,可知两边的磁场皆为匀强磁场。
III. x轴以上和以下轨迹半圆的半径不同,用B上和B下分别表示上、下的磁感应强度,用m、q和v分别表示带电质点的质量、电量和速度的大小;则由洛伦兹力和牛顿定律可知,,由此可得,即下面磁感应强度是上面的倍。
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