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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,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$C$、$D$,两板间存在垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为$B_{1}$,两板间的电压为$U_{0}$,距离为$d$。在粒子源的正下方足够远处,有一个长为$4L$的水平粒子收集板$EF$,板的中点有一小孔$O$。$EF$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$B_{2}$。粒子恰能击中$OF$的中点。不计粒子重力及其相互间作用力。
判断$C$、$D$板哪个电势高,并求粒子的速度。
右侧极板$D$的电势高;粒子速度为$\\dfrac{U}{B_{1}d}$
"]]由粒子可以打在$OF$中点,结合左手定则,可知粒子带正电;
根据左手定则,则粒子在$CD$间受到水平向右的洛伦兹力,为保持粒子能沿竖直的虚线运动,故电场力应与洛伦兹力等大反向,
即粒子受水平向左的电场力,电场方向从右向左,即右侧极板$D$的电势高;
且电场力和洛伦兹力满足:$q\dfrac{U}{d}=qB_{1}v$,得:$v=\dfrac{U}{B_{1}d}$
求该粒子的比荷;
粒子的比荷为$\\dfrac{2U}{B_{1}B_{2}dL}$
"]]粒子在$EF$板下方做匀速圆周运动时,恰好击中$OF$中点,进入磁场时与$EF$垂直,故出磁场时也与$EF$垂直,轨迹如图:
由图可知其半径为$2r=\dfrac{OF}{2}=\dfrac{1}{2} \times \dfrac{EF}{2}=\dfrac{1}{2} \times \dfrac{4L}{2}=L$,即半径为:$r=\dfrac{L}{2}$,
由洛伦兹力提供向心力:$qB_{2}v=m\dfrac{v^{2}}{r}$,解得:$\dfrac{q}{m}=\dfrac{2U}{B_{1}B_{2}dL}$
$EF$板绕过$O$点、垂直于纸面的轴顺时针转动$180^\circ$过程中,分别求出$OE$、$OF$上被粒子击中的范围。
粒子打到$OE$板上的范围为:从$OE$的中点,到$E$点之间的范围内;打在$OF$板上的范围为:从$O$点开始,与$O$距离为$L$的范围内
"]]$EF$板转动后,在粒子打到板上前,在磁场中的运动轨迹依然是圆周运动的轨迹,与($2$)中的轨迹重合;
由几何关系可知在极板转过角度$0\leqslant \theta\leqslant 90^\circ$的过程中,打在极板上的位置如图所示:
即打在板上的位置越来越靠近$O$点,即打在$OF$板上的范围为:从$O$点开始,与$O$距离为$L$的范围内;
由几何关系可知在极板转过角度$90^\circ≤\theta≤180^\circ$的过程中,打在极板上的位置如图所示:
在极板转到①位置前,粒子打不到板上;
在极板转到①位置时,粒子刚好打到极板的$E$点上;
在极板转到①位置后,粒子打在板上的位置会越来越靠近$O$点,直到$\theta=180^\circ$时,即极板转到②位置时,粒子打到$OE$的中点;
即粒子打到$OE$板上的范围为:从$OE$的中点到$E$点之间的范围内。
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