問題詳情:
如圖,在座標系xoy的第一、第三象限內存在相同的勻強磁場,磁場方向垂直於xoy面向裏;第四象限內有沿y軸正方向的勻強電場,電場強度大小為E.一質量為m、帶電量為+q的粒子自y軸的P點沿x軸正方向*入第四象限,經x軸上的Q點進入第一象限,隨即撤去電場,以後僅保留磁場.已知OP=d,OQ=2d,不計粒子重力.
(1)求粒子過Q點時速度的大小和方向.
(2)若磁感應強度的大小為一定值B0,粒子將以垂直y軸的方向進入第二象限,求B0;
(3)若磁感應強度的大小為另一確定值,經過一段時間後粒子將再次經過Q點,且速度與第一次過Q點時相同,求該粒子相鄰兩次經過Q點所用的時間.
【回答】
解:(1)設粒子在電場中運動的時間為t0,加速度的大小為a,粒子的初速度為v0,過Q點時速度的大小為v,沿y軸方向分速度的大小為vy,速度與x軸正方向間的夾角為θ,由牛頓第二定律得qE=ma ①
由運動學公式得②
2d=v0t0 ③
vy=at0 ④
⑤
⑥
聯立①②③④⑤⑥式得⑦
θ=45° ⑧
(2)設粒子做圓周運動的半徑為R1,粒子在第一象限的運動軌跡如圖,O1為圓心,由幾何關係可知△O1OQ
為等腰直角三角形,得⑨
由牛頓第二定律得⑩
聯立⑦⑨⑩式得(11)
(3)設粒子做圓周運動的半徑為R2,由幾何分析(粒子運動的軌跡如圖,O2、O'2是粒子做圓周運動的圓心,Q、F、G、H是軌跡與兩座標軸的交點,連接O2、O'2,由幾何關係知,O2FGO'2和O2QHO'2均為矩形,進而知FQ、GH均為直徑,QFGH也是矩形,又FH⊥GQ,可知QFGH是正方形,△QOG為等腰直角三角形)可知,粒子在第一、第三象限的軌跡均為半圓,得(12)
粒子在第二、第四象限的軌跡為長度相等的線段,得FG=HQ=2R2 (13)
設粒子相鄰兩次經過Q點所用的時間為t,則有(14)
聯立⑦(12)(13)(14)得
答:(1)粒子過Q點時速度的大小為.
(2)B0的大小為.
(3)該粒子相鄰兩次經過Q點所用的時間.
知識點:質譜儀與迴旋加速器
題型:計算題