电量为?q的粒子自y轴的P点沿x轴正方向射入第四象限,经x轴上的Q点进入第一象限,随即撤去电场,以后仅保留磁场。已知OP=d,OQ=2d,不计粒子重力。 (1)求粒子过Q点时速度的大小和方向。
(2)若磁感应强度的大小为一定值B0,粒子将以垂直y轴的方向进入第二象限,求B0; (3)若磁感应强度的大小为另一确定值,经过一段时间后粒子将再次经过Q点,且速度与第一次过Q点时相同,求该粒子相邻两次经过Q点所用的时间。
23.解:(1)设粒子在电场中运动的时间为t0,加速度的大小为a,粒子的初速度为v0,过
Q点时速度的大小为v,沿y轴方向分速度的大小为vy,速度与x轴正方向间的夹角为θ,
由牛顿第二定律得
1 qE=ma ○由运动学公式得
d=122 at ○
203 2d=v0t0 ○4 vy=at0 ○
225 v=v0+vy ○
tanθ=vyv06 ○
1○2○3○4○5○6式得 联立○
v=2qEd7 ○
m8 θ=45° ○
(2)设粒子做圆周运动的半径为R1,粒子在第一象限的运动轨迹如图所示,O1为圆心,由几何关系可知△O1OQ为等腰直角三角形,得 9 R1=22d ○由牛顿第二定律得
v210 qvB0=m ○
R1 6
7○910式得B0=联立○○
mE11 ○
2qd′(3)设粒子做圆周运动的半径为R2,由几何分析(粒子运动的轨迹如图所示,O2、O2是
粒子做圆周运动的圆心,Q、F、G、H是轨迹与两坐标轴的
′′′交点,连接O2、,由几何关系知,和O2QHO2O2O2FGO2均为矩形,进而知FQ、GH均为直径,QFGH也是矩形,又
FH⊥GQ,可知QFGH是正方形,△QOG为等腰直角三角形)可知,粒子在第一、第三象限的轨迹均为半圆,得 12 2R2=22d ○
粒子在第二、第四象限的轨迹为长度相等的线段,得 13 FG=HQ=2R2 ○设粒子相邻两次经过Q点所用的时间为t,则有
t=FG+HQ+2πR24 1○
v7○1213○14得 联立○○
2md5 1○t=(2+π)qE22(2013北京高考).(16分)如图所示,两平行金属板间距为,电势差为,板间电场可视为匀强电场;金属板下方有一磁感应强度为B的匀强磁场。带电量为+、质量为的粒子,由静止开始从正极板出发,经电场加速后射出,并进入磁场做匀速圆周运动。忽略重力的影响,求:
⑴匀强电场场强E的大小;
⑵粒子从电场射出时速度的大小; ⑶粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径R。
解析:⑴匀强电场的电场强度的大小:
7
(2)根据动能定理有: ,解得:
(3)粒子在磁场中做匀速圆周运动时,洛伦兹力提供向心力,有:
,将上述代入解得:
24(2013北京高考).(20分) 对于同一物理问题,常常可以从宏观与微观两个不同角度进行分析研究,找出其内在联系,从而更加深刻地理解其物理本质。
⑴一段横截面积为S、长为L的直导线,单位体积内有n个自由电子,电子电量为e。该导线通有电流时,假设自由电子定向移动的速率均为V。求导线中的电流I
⑵将该导线放在匀强磁场中,电流方向垂直于磁感应强度B,导线所受安培力大小为F安,导线内自由电子所受洛伦兹力大小的总和为F,推导F安=F。
⑶正方体密闭容器中有大量运动粒子,每个粒子质量为m,单位体积内粒子数量n为恒量。为简化问题,我们假定:粒子大小可以忽略;其速率均为V,且与器壁各面碰撞的机会均等;与器壁碰撞前后瞬间,粒子速度方向都与器壁垂直,且速率不变。利用所学力学知识,导出器壁单位面积所受粒子压力f与m、n和v的关系。
(注意:解题过程中需要用到、但题目没有给出的物理量,要在解题时做必要的说明) 解析:
⑴ 设时间内通过导体横截面的电量为
,由电流定义,有
⑵ 每个自由电子所受的洛伦兹力
设导体中共有N个自由电子,则
导体内自由电子所受洛伦兹力大小的总和
由安培力公式,有,将⑴中的电流式代入有
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可得
(2)如右图所示,取以器壁上的面积S为底、以为高构成的柱体,由题设可知,柱体
内的粒子在时间内将有的粒子与器壁S发生碰撞,碰撞粒子总数为
每一个粒子与器壁碰撞一次给器壁的冲量为
时间内粒子给器壁的冲量为
面积为S的器壁受到的粒子压力为
器壁单位面积所受粒子压力
26(2013全国卷大纲版).(20分)
如图,虚线OL与y轴的夹角θ=60°,在此角范围内有垂直于xOy平面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为B。一质量为m、电荷量为q(q>0)的粒子从左侧平行于x轴射入磁场,入射点为M。粒子在磁场中运动的轨道半径为R。粒子离开磁场后的运动轨迹与x轴交于p点(图中未画出)且op=R。不计重力。求M点到O点的距离和粒子在磁场中运动的时间。
26答案
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9(2013海南卷).三条在同一平面(纸面)内的长直绝缘导线组成一等边三角形,在导线中通过的电流均为I,方向如图所示。a、b和c三点分别位于三角形的三个顶角的平分线上,且到相应顶点的距离相等。将a、b和c处的磁感应强度大小分别记为B1、B2和B3,下列说法正确的是
b a I I I c 10