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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
如图所示,在直角坐标系$Oxy$的坐标平面内,边长为$L$的正方形$AOCD$区域内有沿$y$轴负方向的匀强电场,$A$点在$y$轴正半轴上,$C$点在$x$轴正半轴上,区域外有垂直于坐标平面向外的匀强磁场,在坐标为 $\left(0,\dfrac{\sqrt{3}}{4}L\right)$,$P$点以大小为$v_{0}$的速度沿$x$轴正向射出一个质量为$m$、带正电荷量为$q$的粒子。粒子第一次经电场偏转从$OC$的中点射出电场,此后粒子恰好从$O$点第二次进入电场,不计粒子的重力,求:
匀强电场的电场强度大小;
匀强电场的电场强度大小为$\\dfrac{2\\sqrt{3}mv_{0}^{2}}{qL}$
"]]粒子在电场中做类平抛运动,
沿$-y$方向有:$\dfrac{\sqrt{3}}{4}L=\dfrac{1}{2}at_{1}^{2}$
沿$x$轴方向有:$\dfrac{1}{2}L=v_{0}t_{1}$
根据牛顿第二定律:$qE=ma$
解得:$E=\dfrac{2\sqrt{3}mv_{0}^{2}}{qL}$
匀强磁场的磁感应强度大小;
匀强磁场的磁感应强度大小为$\\dfrac{4\\sqrt{3}mv_{0}}{qL}$
"]]设粒子第一次出电场时速度大小为$v_{1}$,根据动能定理:$qE \times \dfrac{\sqrt{3}}{4}L=\dfrac{1}{2}mv_{1}^{2}-\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$
解得:$v_{1}=2v_{0}$
设粒子出电场时速度与$x$轴正向的夹角为$\theta$,则由速度的合成规律有:$v_{1}\cos\theta=v_{0}$
联立解得:$\theta=60^\circ$
由对称性可知粒子第二次进电场时速度与$x$轴夹角$60^\circ$斜向右上,则粒子在磁场中做圆周运动的半径:$r=\dfrac{\dfrac{1}{2}L}{2\sin60{^\circ}}=\dfrac{\sqrt{3}}{6}L$
根据牛顿第二定律:$qv_{1}B=m\dfrac{v_{1}^{2}}{r}$
解得:$B=\dfrac{4\sqrt{3}mv_{0}}{qL}$
粒子第三次离开电场的位置坐标。
粒子第三次离开电场的位置坐标为$\\left(L,\\dfrac{\\sqrt{3}L}{4}\\right)$
"]]粒子第二次进电场后,做类斜上抛运动,设粒子仍从$OC$边射出电场,则粒子第二次在电场中运动时间:$t_{2}=\dfrac{2v_{1}\cos30{^\circ}}{a}=\dfrac{L}{v_{0}}$
粒子在电场中沿$x$轴正向运动的距离:$x=v_{0}t_{2}=v_{0}\times \dfrac{L}{v_{0}} =L$
即粒子刚好从$C$点离开电场,根据对称性可知,粒子第三次进电场的位置在$OC$中点,即粒子第三次出电场的位置坐标$\left(L,\dfrac{\sqrt{3}L}{4}\right)$
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