Question

如圖甲所示，空間存在一范圍足夠大的垂直于xOy平面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B。讓質(zhì)量為m，電荷量為q（q＞0）的粒子從坐標(biāo)原點(diǎn)O沿xOy平面以不同的初速度大小和方向入射到磁場(chǎng)中。不計(jì)重力和粒子間的影響。

（1）若粒子以初速度v₁沿y軸正向入射，恰好能經(jīng)過x軸上的A（a，0）點(diǎn)，求v₁的大��；

（2）已知一粒子的初速度大小為v（v＞v₁），為使該粒子能經(jīng)過A（a，0）點(diǎn)，其入射角θ（粒子初速度與x軸正向的夾角）有幾個(gè)？并求出對(duì)應(yīng)的sinθ值；

（3）如圖乙，若在此空間再加入沿y軸正向、大小為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)，一粒子從O點(diǎn)以初速度v₀沿y軸正向發(fā)射。研究表明：粒子在xOy平面內(nèi)做周期性運(yùn)動(dòng)，且在任一時(shí)刻，粒子速度的x分量v_x與其所在位置的y坐標(biāo)成正比，比例系數(shù)與場(chǎng)強(qiáng)大小E無關(guān)。求該粒子運(yùn)動(dòng)過程中的最大速度值v_m。

 

Answer 1

【答案】

 ⑴；⑵兩個(gè)  sinθ=；⑶＋。

【解析】（1）帶電粒子以初速度v₁沿y軸正方向入射后，在磁場(chǎng)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，剛好轉(zhuǎn)過半周到達(dá)x軸上的A點(diǎn)，設(shè)此時(shí)的軌道半徑為R₁，有：R₁=a/2                      ①

由洛倫茲力提供粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，根據(jù)牛頓第二定律有qBv₁=  ②

由①②式聯(lián)立解得：v₁=。

（2）帶電粒子以初速度v入射時(shí)，在磁場(chǎng)中仍然做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，設(shè)此時(shí)軌道為R，對(duì)照②式可知：R=                 ③

由于v＞v₁，則R＞R₁=a/2，要使其圓軌跡能經(jīng)過A點(diǎn)，則θ≠90°，繪出粒子的軌跡圖如圖所示，軌跡圓有兩個(gè)，但圓心都落在OA的中垂線上，設(shè)做兩個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)的速度入射方向與x軸正方向的夾角分別為θ和θ′，根據(jù)圖中幾何關(guān)系有：sinθ′=sinθ=       ④

由③④式聯(lián)立解得：sinθ=。

（3）粒子在磁場(chǎng)中僅受洛倫茲力和電場(chǎng)力作用，又洛倫茲力始終與速度方向垂直，不做功，因此只有電場(chǎng)力做功，根據(jù)題意可知，當(dāng)粒子運(yùn)動(dòng)至＋y方向最遠(yuǎn)處時(shí)，速度最大為v_m，且沿＋x方向，設(shè)＋y方向最遠(yuǎn)處的y坐標(biāo)為y_m，由于v_x與y成正比，設(shè)比例系數(shù)為k，有：v_m＝ky_m                    ⑤

根據(jù)動(dòng)能定理有：qEy_m＝－                         ⑥

又因比例系數(shù)與電場(chǎng)強(qiáng)度E無關(guān)，因此若無電場(chǎng)，粒子將以速度v₀做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，設(shè)軌道半徑為R₀，此時(shí)在＋y方向最遠(yuǎn)處的y坐標(biāo)為R₀，有：v₀＝kR₀             ⑦

對(duì)照②式可知：R₀＝                     ⑧

由⑤⑥⑦⑧式聯(lián)立解得：v_m=+

【考點(diǎn)定位】本題主要考查帶電粒子在磁場(chǎng)、復(fù)合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問題，以及分析問題、從題干中提取有用信息的能計(jì)算題力問題。難度較大。