高中 | 带电粒子在组合场中的运动问题 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动

带电粒子在组合场中的运动问题

如图甲所示的$Oxy$平面内,$y$轴右侧被直线$x=3L$分为两个相邻的区域$I$$Ⅱ$。区域$I$内充满匀强电场,区域Ⅱ内充满垂直$Oxy$平面的匀强磁场,电场和磁场的大小、方向均未知。$t=0$时刻,质量为$m$、电荷量为$+q$的粒子从$O$点沿$x$轴正向出发,在$Oxy$平面内运动,在区域$I$中的运动轨迹是以$y$轴为对称轴的抛物线的一部分,如图甲所示。$t_{0}$时刻粒子第一次到达两区域分界面,在区域Ⅱ中运动的$y − t$图像为正弦曲线的一部分,如图乙所示。不计粒子重力。下列说法正确的是$(\qquad)$

["

区域$I$内电场强度大小$E=\\dfrac{4mL}{q{t_{0}}^{2}}$,方向沿$y$轴正方向

","

粒子在区域Ⅱ内圆周运动的半径$R=\\dfrac{20L}{3}$

","

区域Ⅱ内磁感应强度大小$B=\\dfrac{3m}{5qt_{0}}$,方向垂直$Oxy$平面向外

","

粒子在区域Ⅱ内圆周运动的圆心坐标$\\left( \\dfrac{17L}{3},0 \\right)$

"]
[["AD"]]

$\rm A$.粒子在区域$I$中的运动轨迹是以$y$轴为对称轴的抛物线的一部分,可以判断出粒子做类平抛运动,根据曲线轨迹可知,可知正粒子受到的电场力方向竖直向上,电场方向沿$y$轴正方向,设粒子初速度为$v_{0}$

竖直方向有$y=\dfrac{1}{2}at^{2}$

水平方向有$x=v_{0}t$

由牛顿第二定律有$Eq=ma$

联立解得$E=\dfrac{4mL}{q{t_{0}}^{2}}$$\rm A$正确;

$\rm B$.粒子在区域Ⅱ中运动的$y − t$图像为正弦曲线的一部分,可以判断粒子做匀速圆周运动,

运动轨迹如图所示,则粒子在区域Ⅱ内圆周运动的半径$R=\dfrac{10L}{3}$$\rm B$错误;

$\rm C$.粒子做类平抛运动进入匀强磁场时的速度$v=\sqrt{v_{0}^{2}+{(at)}^{2}}$

联立解得$v=\dfrac{5L}{t_{0}}$

根据洛伦兹力提供向心力有$qvB=m\dfrac{v^{2}}{R}$

解得$B=\dfrac{3m}{2qt_{0}}$$\rm C$错误;

$\rm D$.如图所示,

设圆心为$O'$点,设粒子进入匀强磁场时的速度方向与竖直方向夹角为$\theta$

由速度关系有$\sin\theta=\dfrac{v_{0}}{v}=0.6$

可得$\theta=37^\circ $

由几何关系得$∠O'=37^\circ $

那么有$OO'=3L+R\cos 37{^\circ}=\dfrac{17L}{3}$

粒子在区域Ⅱ内圆周运动的圆心坐标$\left( \dfrac{17L}{3},0 \right)$$\rm D$正确。

故选:$\rm AD$

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