高中 | 牛顿第二定律的两类基本问题 题目答案及解析

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必修1

第四章 牛顿运动定律

4.6 用牛顿运动定律解决问题(一)

牛顿第二定律的两类基本问题

如图所示的平面直角坐标系$xOy$,在第一象限内有平行于$y$轴的匀强电场,方向沿$y$轴正方向;在第四象限的某个矩形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场,磁场的上边界与$x$轴重合。一质量为$m$、电荷量为$-q$的粒子,从点$a\left( 0,\dfrac{\sqrt{3}}{3}h \right)$以初速度$v_{0}$沿$x$轴正方向射入电场,通过电场后从点$b(2h,0)$立即进入矩形磁场,经过磁场后从$y$轴上的点$c$离开磁场,且速度恰好沿$y$轴。不计粒子所受的重力。求:

第一象限的电场强度大小$E$

[["

$\\dfrac{\\sqrt{3}mv_{0}^{2}}{6qh}$

"]]

粒子在电场中仅受电场力,做类平抛运动。沿$+x$方向做匀速直线运动,则有$2h=v_{0}t$

沿$-y$方向做匀加速直线运动,则有$\dfrac{\sqrt{3}}{3}h=\dfrac{1}{2}at^{2}$

由牛顿第二定律可得 $qE=ma$

联立解得$E=\dfrac{\sqrt{3}mv_{0}^{2}}{6qh}$

磁感应强度的大小$B$

[["

$\\dfrac{\\sqrt{3}mv_{0}}{2qh}$

"]]

由($1$)可得粒子在$b$点沿$+x$方向的分速度大小为 $v_{0}$,沿$-y$方向的分速度大小$v_{y}$满足$v_{y}^{2}=2a \times \dfrac{\sqrt{3}}{3}h$

解得$v_{y}=\dfrac{\sqrt{3}}{3}v_{0}$

可得粒子在$b$点的速度大小为$v=\sqrt{v_{0}^{2}+v_{y}^{2}}=\dfrac{2\sqrt{3}}{3}v_{0}$

其方向与$x$轴成的夹角为$\theta$,则有$\tan\theta=\dfrac{v_{y}}{v_{0}}=\dfrac{\sqrt{3}}{3}$

可得$\theta=30^\circ $

粒子在磁场中的运动的轨迹如图所示

设粒子做圆周运动的半径为$r$,由几何关系可得$r+r\sin$ $30^\circ=2\;\rm h$

解得$r=\dfrac{4}{3}h$

由洛伦兹力提供向心力可得$qvB=m\dfrac{v^{2}}{r}$

解得$B=\dfrac{\sqrt{3}mv_{0}}{2qh}$

矩形磁场区域的最小面积$S$

[["

$\\dfrac{16h^{2}}{3}$

"]]

最小的矩形磁场区域如图所示

由几何关系可得矩形的长为$2r=\dfrac{8}{3}h$

宽为$r+r\sin 30^\circ =2h$

解得$S=\dfrac{8h}{3} \times 2 h=\dfrac{16 h^{2}}{3}$

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