高中 | 动量守恒定律的理解与一般应用 题目答案及解析

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选修3-5

第十六章 动量守恒定律

16.3 动量守恒定律

动量守恒定律的理解与一般应用

如图甲,在第三象限有方可沿$y$轴正向、电场强度$E_{1}=E_{0}$的匀强电场,在第二象限有与$y$轴成$45^\circ$斜向下的匀强电场$E_{2}$,在$y$轴右侧有如图乙所示的交变磁场(垂直纸面向里为磁场的正方向,$t_{0}=\dfrac{\pi m}{qB_{0}}$)。一质量为$m$、电荷量为$q$的带正电粒子,在$A$点由静止释放,$A$点坐标为$\left(-\dfrac{L}{2},-L\right)$,经$x$轴上$B$点进入第二象限,经$y$轴上的$C$点(图中未画出)垂直$y$轴离开第二象限,与静止在$C$点的另一质量也为$m$、不带电的粒子相碰,碰后立即粘在一起进入第一象限,此时,磁场从零时刻开始计时,所有粒子均不计重力,$\sin45{^\circ}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}$$B_{0}$$L$$m$$E_{0}$$q$已知。求:

匀强电场$E_{2}$的电场强度大小;

[["

$2\\sqrt{2}E_{0}$

"]]

粒子在第三象限做匀加速直线运动,由动能定理$qE_{0}L=\dfrac{1}{2}mv_{B}^{2}$

解得$v_{B}=\sqrt{\dfrac{2qE_{0}L}{m}}$

粒子在第二象限做匀变速曲线运动,水平方向的加速度$a_{x}=\dfrac{qE_{2}\sin45{^\circ}}{m}$

设经过时间$t$粒子运动到$C$点,$C$点的水平速度$v_{c}=a_{x}t$

水平位移$\dfrac{L}{2}=\dfrac{0+v_{C}}{2}t$

粒子在竖直方向做匀减速运动,竖直方向的加速度$a_{y}=\dfrac{qE_{2}\cos45{^\circ}}{m}$

根据运动学公式$0=v_{B}-a_{y}t$

联立解得$E_{2}=2\sqrt{2}E_{0}$

$C$点速度$v_{C}=v_{B}=\sqrt{\dfrac{2qE_{0}L}{m}}$

碰后粒子在交变磁场中的轨道半径;

[["

$\\dfrac{1}{B_{0}}\\sqrt{\\dfrac{2LmE_{0}}{q}}$

"]]

两粒子在$C$点碰撞,动量守恒,取$v_{C}$方向为正方向

根据动量守恒定律$mv_{c}=2mv$

解得$v=\sqrt{\dfrac{qE_{0}L}{2m}}$

碰后粒子的质量为$2m$,在$y$轴右侧做匀速圆周运动

根据向心力公式$qvB_{0}=\dfrac{2mv^{2}}{R}$

解得$R=\dfrac{1}{B_{0}}\sqrt{\dfrac{2LmE_{0}}{q}}$

碰后粒子再次回到$y$轴所在位置到$C$点距离。

[["

$\\dfrac{2}{B_{0}}\\sqrt{\\dfrac{2LmE_{0}}{q}}$

"]]

碰后粒子做圆周运动的周期$T= \dfrac{2\pi R}{v}$

解得$T=\dfrac{4\pi m}{qB_{0}}$

由于$t_{0}=\dfrac{\pi m}{qB_{0}}$,因此$t_{0}=\dfrac{1}{4}T$

粒子刚进入磁场时,磁场方向垂直纸面向里,经过($0\sim t_{0}$),即$\dfrac{1}{4}T$磁场方向垂直纸面向外;经过($t_{0}\sim 3t_{0}$),即$2t_{0}=\dfrac{1}{2}T$磁场方向又垂直纸面向里;经过($3t_{0}\sim 4t_{0}$),即$\dfrac{1}{4}T$磁场方向垂直纸面向外;经过($4t_{0}\sim 6t_{0}$),即$\dfrac{1}{2}T$磁场方向又垂直纸面向里⋯⋯,经分析可知,粒子在$10t_{0}$时刻与$y$轴相交,粒子在$y$轴右侧的轨迹如图所示:

再次回到$y$轴的位置到$C$点的距离$s=2R$

解得$s=\dfrac{2}{B_{0}}\sqrt{\dfrac{2LmE_{0}}{q}}$

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