Question

如圖所示，在直角坐標(biāo)系x軸上方有與x軸成45°角的勻強電場，場強大小E=10³V/m，在x軸下方有垂直紙面向外的勻強磁場，磁感應(yīng)強度B=1T．現(xiàn)從y軸上距坐標(biāo)原點L=1Ocm處由靜止釋放一比荷為的帶正電的微粒A，不計微粒的重力．求：
（1）微粒進(jìn)入磁場后在磁場中運動的軌道半徑；
（2）從釋放微粒到微粒第一次從磁場返回電場所用時間；
（3）若在A第一次返回電場的同時，在電場中適當(dāng)?shù)奈恢糜伸o止釋放另一與A完全相同的帶電微粒B，可使兩微粒在進(jìn)入磁場前相遇．求出所有滿足條件的釋放點的軌跡方程（不計兩微粒之間的庫侖力）．

Answer 1

【答案】分析：（1）根據(jù)動能定理求出粒子進(jìn)入磁場時的速度，再根據(jù)洛倫茲力提供向心力求出粒子在磁場中運動的軌道半徑．
（2）根據(jù)勻變速直線運動的公式，求出帶電粒子在電場中做勻加速直線運動的時間，根據(jù)幾何關(guān)系，知粒子在磁場中運動，根據(jù)周期公式求出粒子在磁場中運動的周期，從而求出從釋放微粒到微粒第一次從磁場返回電場所用時間．
（3）微粒從P點進(jìn)入磁場后做類平拋運動，如圖，由于微粒B與A完全相同，所以只需在微粒離開磁場時速度方向的直線上的PQ范圍內(nèi)任一點釋放微粒B，可保證兩者在進(jìn)入磁場前相碰．求出直線的方程．
解答：解：（1）微粒在進(jìn)入磁場前做勻加速運動，設(shè)微粒質(zhì)量為m，帶電量為q，進(jìn)入磁場時速度為v，則：

微粒進(jìn)入磁場后做勻速圓周運動，設(shè)軌道半徑為R，則：

代入數(shù)值可解得：
R=m
（2）由此可作出微粒的運動軌跡如圖所示．微粒在磁場中運動圓周后從P點進(jìn)入電場．設(shè)微粒從釋放到進(jìn)入電場之前所用時間為t，則：


而 
代入數(shù)值可得：．
（3）微粒從P點進(jìn)入磁場后做類平拋運動，設(shè)微粒再次進(jìn)入磁場時距坐標(biāo)原點為x，如圖所示，則：


代入數(shù)值可解得．
由于微粒B與A完全相同，所以只需在微粒離開磁場時速度方向的直線上的PQ范圍內(nèi)任一點釋放微粒B，可保證兩者在進(jìn)入磁場前相碰．
由幾何關(guān)系得，P點的橫坐標(biāo)為-10cm，Q點的橫坐標(biāo)為30cm．
即在直線y=x+10 （-10≤x≤30）上式任意一點釋放微粒B都能滿足要求．
答：（1）微粒進(jìn)入磁場后在磁場中運動的軌道半徑為m．
（2）從釋放微粒到微粒第一次從磁場返回電場所用時間．
（3）所有滿足條件的釋放點的軌跡方程為y=x+10 （-10≤x≤30）．
點評：解決本題的關(guān)鍵知道粒子在電場中先做勻加速直線運動，然后在磁場中做勻速圓周運動，再進(jìn)入電場做類平拋運動，根據(jù)牛頓第二定律、動能定理，結(jié)合運動學(xué)公式進(jìn)行求解．