在水平地面上方的足夠大的真空室內(nèi)存在著勻強電場和勻強磁場共存的區(qū)域,且電場與磁場的方向始終平行,在距離水平地面的某一高度處,有一個帶電量為q、質(zhì)量為m的帶負電的質(zhì)點,以垂直于電場方向的水平初速度v0進入該真空室內(nèi),取重力加速度為g.求:
(1)若要使帶電質(zhì)點進入真空室后做半徑為R的勻速圓周運動,求磁感應強度B0的大小及所有可能的方向;
(2)當磁感應強度的大小變?yōu)锽時,為保證帶電質(zhì)點進入真空室后做勻速直線運動,求此時電場強度E的大小和方向應滿足的條件;
(3)若帶電質(zhì)點在滿足第(2)問條件下運動到空中某一位置M點時立即撤去磁場,此后運動到空中另一位置N點時的速度大小為v,求M、N兩點間的豎直高度H及經(jīng)過N點時重力做功的功率.
分析:(1)帶電質(zhì)點在電場與磁場中做勻速圓周運動,則電場力與重力相平衡,而洛倫茲力提供向心力,由牛頓第二定律即可求解.
(2)根據(jù)質(zhì)點做勻速直線運動,質(zhì)點受力平衡,從而依據(jù)幾何關系可求出電場強度大小及其方向;
(3)當撤去磁場后,帶電質(zhì)點只受電場力和重力作用,在這個過程中電場力不做功,由機械能守恒定律可求出M、N兩點間的豎直高度H;由質(zhì)點做類平拋運動將其速度分解與功率表達式相結合,從而確定經(jīng)過N點時重力做功的功率.
解答:解:(1)由于帶電質(zhì)點在勻強電場E0和勻強磁場B0共存的區(qū)域做勻速圓周運動,
所以受到的電場力必定與重力平衡,
即      qE0=mg                        
根據(jù)牛頓第二定律和向心力公式
   qv0B0=m
v
2
0
R
                           
解得     B0=
mv0
qR
            
磁感應強度B0為豎直向上或豎直向下.
(2)磁場B和電場E方向相同時,如答圖1甲所示;磁場B和電場E方向相反時,如答圖1乙所示.精英家教網(wǎng)
由于帶電質(zhì)點做勻速直線運動,由平衡條件和幾何關系可知
(qv0B)2+(qE)2=(mg)2
解得                             E=
(mg)2-(qv0B)2
q
              
圖中的θ角為                  θ=arcsin
qv0B
mg
                      
即電場E的方向為沿與重力方向夾角θ=arcsin
qv0B
mg
且斜向下的一切方向,
θ=arctan
qv0B
qE
=
qv0B
(mg)2-(qv0B)2
,且斜向下方的一切方向.               
(3)當撤去磁場后,帶電質(zhì)點只受電場力和重力作用,這兩個力的合力大小為qv0B,方向既垂直初速度v0的方向也垂直電場E的方向.
設空中M、N兩點間的豎直高度為H,因電場力在這個過程中不做功,則由機械能守恒定律得
1
2
m v2=mgH+
1
2
m v02                      
解得     H=
v2-
v
2
0
2g
                          
因帶電質(zhì)點做類平拋運動,由速度的分解可求得帶電質(zhì)點到達N點時沿合力方向的分速度大小為                  
  vN=
v2-
v
2
0
                          
又因電場力在這個過程中不做功,帶電質(zhì)點到達N點時,重力做功的功率等于合外力在此時的瞬時功率,
解得  PN=qv0BvN=qv0B
v2-
v
2
0
   
答:(1)若要使帶電質(zhì)點進入真空室后做半徑為R的勻速圓周運動,則磁感應強度B0的大小
mv0
qR
及所有可能的方向為豎直向上或豎直向下;
(2)當磁感應強度的大小變?yōu)锽時,為保證帶電質(zhì)點進入真空室后做勻速直線運動,則此時電場強度E的大小 E=
(mg)2-(qv0B)2
q
       方向應滿足的條件為電場E的方向為沿與重力方向夾角θ=arcsin
qv0B
mg
且斜向下的一切方向,或θ=arctan
qv0B
qE
=
qv0B
(mg)2-(qv0B)2
,且斜向下方的一切方向.      
(3)若帶電質(zhì)點在滿足第(2)問條件下運動到空中某一位置M點時立即撤去磁場,此后運動到空中另一位置N點時的速度大小為v,則M、N兩點間的豎直高度H及經(jīng)過N點時重力做功的功率為=qv0B
v2-
v
2
0
點評:考查洛倫茲力提供向心力做勻速圓周運動的處理方法,由洛倫茲、電場力與重力相平衡,結合幾何關系來綜合求解;同時還考查機械能守恒定律,及類平拋運動規(guī)律,并運用功率的表達式來求解.
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(1)若要使帶電質(zhì)點進入真空室后做半徑為R的勻速圓周運動,求磁感應強度B0的大小及所有可能的方向;

(2)當磁感應強度的大小變?yōu)锽時,為保證帶電質(zhì)點進入真空室后做勻速直線運動,求此時電場強度E的大小和方向應滿足的條件;

(3)若帶電質(zhì)點在滿足第(2)問條件下運動到空中某一位置M點時立即撤去磁場,此后運動到空中另一位置N點時的速度大小為v,求M、N兩點間的豎直高度H及經(jīng)過N點時重力做功的功率。  

 

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(1)若要使帶電質(zhì)點進入真空室后做半徑為R的勻速圓周運動,求磁感應強度B0的大小及所有可能的方向;
(2)當磁感應強度的大小變?yōu)锽時,為保證帶電質(zhì)點進入真空室后做勻速直線運動,求此時電場強度E的大小和方向應滿足的條件;
(3)若帶電質(zhì)點在滿足第(2)問條件下運動到空中某一位置M點時立即撤去磁場,此后運動到空中另一位置N點時的速度大小為v,求M、N兩點間的豎直高度H及經(jīng)過N點時重力做功的功率。

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(1)若要使帶電質(zhì)點進入真空室后做半徑為R的勻速圓周運動,求磁感應強度B0的大小及所有可能的方向;

(2)當磁感應強度的大小變?yōu)?i>B時,為保證帶電質(zhì)點進入真空室后做勻速直線運動,求此時電場強度E的大小和方向應滿足的條件;

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