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,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。

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右侧极板$D$的电势高;粒子速度为$\\dfrac{U}{B_{1}d}$

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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;

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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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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,质量为、电荷量为的粒子从静止开始经加速电压加速后,从三维直角坐标系的原点处沿不同方向射入匀强磁场,磁感应强度大小为、方向沿轴正方向。已知加速电压调节范围为,其中。轴上距离点处有一长为的吸收板,吸收板接地,粒子打在板上即被吸收。不计粒子重力,下列说法正确的是 如图所示,在直角坐标系的坐标平面内,边长为的正方形区域内有沿轴负方向的匀强电场,点在轴正半轴上,点在轴正半轴上,区域外有垂直于坐标平面向外的匀强磁场,在坐标为 ,点以大小为的速度沿轴正向射出一个质量为、带正电荷量为的粒子。粒子第一次经电场偏转从的中点射出电场,此后粒子恰好从点第二次进入电场,不计粒子的重力,求: 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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