稿件来源:高途
高中 | 洛伦兹力题目答案及解析如下,仅供参考!
选修3-1
第三章 磁场
3.5 运动电荷在磁场中受到的力
洛伦兹力
质谱仪是科学研究中的重要仪器,其原理如图所示。Ⅰ为粒子加速器,加速电压为$U$;Ⅱ为速度选择器,匀强电场的电场强度大小为$E_{1}$,方向沿纸面向下,匀强磁场的磁感应强度大小为$B_{1}$,方向垂直纸面向里;Ⅲ为偏转分离器,匀强磁场的磁感应强度大小为$B_{2}$,方向垂直纸面向里。从$S$点释放初速度为零的带电粒子(不计重力),加速后进入速度选择器做直线运动、再由$O$点进入分离器做圆周运动,最后打到照相底片的$P$点处,运动轨迹如图中虚线所示。
粒子带正电还是负电?求粒子的比荷;
带正电,$\\dfrac{E_{1}^{2}}{2UB_{1}^{2}}$;
"]]由于粒子向上偏转,根据左手定则可知粒子带正电;设粒子的质量为$m$,电荷量为$q$,粒子进入速度选择器时的速度为$v_{0}$,在速度选择器中粒子做匀速直线运动,由平衡条件$qv_{0}B_{1}=qE_{1}$
在加速电场中,由动能定理$qU=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$
联立解得,粒子的比荷为$\dfrac{q}{m}=\dfrac{E_{1}^{2}}{2UB_{1}^{2}}$;
求$O$点到$P$点的距离;
$\\dfrac{4UB_{1}}{E_{1}B_{2}}$;
"]]由洛伦兹力提供向心力$qv_{0}B_{2}=m\dfrac{v_{0}^{2}}{r}$
可得$O$点到$P$点的距离为$OP=2r=\dfrac{4UB_{1}}{E_{1}B_{2}}$;
若速度选择器Ⅱ中匀强电场的电场强度大小变为$E_{2}$($E_{2}$略大于$E_{1}$),方向不变,粒子恰好垂直打在速度选择器右挡板的$O'$点上。求粒子打在$O'$点的速度大小。
$\\dfrac{2E_{2}-E_{1}}{B_{1}}$。
"]]粒子进入Ⅱ瞬间,粒子受到向上的洛伦兹力$F_{洛}=qv_{0}B_{1}$
向下的电场力$F=qE_{2}$
由于$E_{2}\gt E_{1}$,且$qv_{0}B_{1}=qE_{1}$
所以通过配速法,如图所示
其中满足$qE_{2}=q(v_{0}+v_{1})B_{1}$
则粒子在速度选择器中水平向右以速度$v_{0}+v_{1}$做匀速运动的同时,竖直方向以$v_{1}$做匀速圆周运动,当速度转向到水平向右时,满足垂直打在速度选择器右挡板的$O'$点的要求,故此时粒子打在$O'$点的速度大小为$v'=v_{0}+v_{1}+v_{1}=\dfrac{2E_{2}-E_{1}}{B_{1}}$。
高中 | 洛伦兹力题目答案及解析(完整版)