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,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;

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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;

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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。

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粒子第三次离开电场的位置坐标为$\\left(L,\\dfrac{\\sqrt{3}L}{4}\\right)$

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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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如图所示,一粒子源持续发射某种带电粒子,这些粒子恰能沿竖直线通过平行金属板、,两板间存在垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为,两板间的电压为,距离为。在粒子源的正下方足够远处,有一个长为的水平粒子收集板,板的中点有一小孔。板的下方存在垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为。粒子恰能击中的中点。不计粒子重力及其相互间作用力。 如图所示,真空室中轴右侧存在连续排列的个圆形边界磁场,圆心均在轴上,相邻两个圆相切,半径均为,磁感应强度均为。其中第、个圆形边界的磁场方向垂直于纸面向里,第、个圆形边界的磁场方向垂直于纸面向外,第个磁场右侧有一个粒子接收屏与轴垂直,并与第个磁场相切,切点为,在磁场上方和下方分别有一条虚线与磁场相切,上方虚线以上有一向下的范围无限大的匀强电场,下方虚线以下有一向上的范围无限大的匀强电场,电场强度大小均为。现将一群质量均为、电荷量均为的带电粒子从坐标原点向第一、四象限各个方向发射(不考虑平行于轴方向发射的粒子),射出速度大小均为,不计粒子重力,则下列说法正确的是 如图所示,在绝缘水平面上方,相距为的竖直边界、之间存在水平向左的匀强电场,场强大小为。边界右侧有一直角三角形区域,区域内存在垂直纸面向外的匀强磁场和大小为、方向竖直向下的匀强电场。在边界上的点静止释放一个质量为、电量大小为的带电小球(大小忽略不计),小球从点进入三角形场区,最终从边界上的点离开。已知间的距离为,,不计一切摩擦。 如图所示,一个质量为的带电液滴在相互垂直的匀强磁场和匀强电场中的竖直面内做半径为的匀速圆周运动,电场和磁场的方向如图。那么这个液滴的电性与转动方向应是 如图所示,竖直平面内固定一直角坐标系,在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,磁感应强度大小为,在第一象限存在竖直方向的匀强电场。质量为、电荷母为的带电小球,在水平向右的外力作用下运动,到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。重力加速度为。 如图所示,在的区域内存在两个匀强磁场。以坐标原点为圆心,半径为的半圆形区域内磁场方向垂直纸面向外,磁感应强度大小未知;其余区域的磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度大小。第四象限内有沿轴正向电场强度为的匀强电场,一比荷为的带电粒子在加速电场的下极板处无初速释放,经加速后从坐标为的点进入磁场,恰能第一次从坐标为的点离开磁场,且粒子经过各磁场边界时的速度方向均与该边界线垂直。不计粒子的重力,求:
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