高中 | 洛伦兹力 题目答案及解析

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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

如图所示,竖直平面内固定一直角坐标系$xOy$,在$x$轴上水平固定光滑绝缘轨道,在第二象限存在垂直纸面向外的匀强磁场$\rm I$,磁感应强度大小为$B$,在第一象限存在竖直方向的匀强电场。质量为$m$、电荷母为$-q$的带电小球,在水平向右的外力作用下运动,到$O$点时恰好对轨道无压力地进入第一象限,此时撤除外力,要使小球进入第一象限后速度方向偏转$60^\circ$再做匀速直线运动,必须在适当区域加上垂直纸面向外的匀强磁场Ⅱ,磁感应强度大小为$2B$。重力加速度为$g$

$O$点时的速度大小;

[["

$\\dfrac{mg}{qB}$

"]]

小球到$O$点时恰好对水平而无压力,应有$mg=qvB$

$v=\dfrac{mg}{qB}$

求匀强电场的场强的大小;

[["

$\\dfrac{mg}{q}$

"]]

由题意$mg=qE$

$E=\dfrac{mg}{q}$

若磁场Ⅱ为圆形,求该磁场最小面积;

[["

$\\dfrac{\\pi m^{4}g^{2}}{16q^{4}B^{4}}$

"]]

如图

若磁场Ⅱ为圆形,根据几何关系可知,线段$OA=R$,根据$2qvB=m\dfrac{v^{2}}{R}$

所以$R=\dfrac{m^{2}g}{2q^{2}B^{2}}$

圆形磁场的半径为$\dfrac{1}{2}R$。该磁场最小面积$S_{1}=\pi\left(\dfrac{1}{2}R\right)^{2}=\dfrac{\pi m^{4}g^{2}}{16q^{4}B^{4}}$

若磁场Ⅱ为矩形,求该磁场最小面积;

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$\\dfrac{(2-\\sqrt{3})m^{4}g^{2}}{8q^{4}B^{4}}$

"]]

若磁场Ⅱ为矩形,根据几何当系可矨,该矩形长为$R$,宽为$R(1-\cos30^\circ)$。该磁场最小面积$S_{2}=R\cdot R(1-\cos30^\circ)= \dfrac{(2-\sqrt{3})m^{4}g^{2}}{8q^{4}B^{4}}$

若磁场Ⅱ为三角形,三角形三个顶点为$O$$A$$C$$A$$C$两点图中均未画出),当该磁场面积最小时,求$A$$C$两点的坐标。

[["

$A$的坐标为$\\left(\\dfrac{\\sqrt{3}m^{2}g}{4q^{2}B^{2}},\\dfrac{m^{2}g}{4q^{2}B^{2}}\\right)$$C$的坐标为$\\left(\\dfrac{\\sqrt{3}m^{2}g}{6q^{2}B^{2}},0\\right)$

"]]

小球在磁场Ⅱ区域运动的轨迹如图,$\Delta OAC$要完全覆盖圆弧$\overparen{OA}$,因此$OC$$AC$必须与圆弧$\overparen{OA}$相切,由于线段$OA=R$

$A$的坐标为$\left(\dfrac{\sqrt{3}m^{2}g}{4q^{2}B^{2}},\dfrac{m^{2}g}{4q^{2}B^{2}}\right)$$C$的坐标为$\left(\dfrac{\sqrt{3}m^{2}g}{6q^{2}B^{2}},0\right)$

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