Question

如圖所示，某一真空空間內(nèi)充滿著相互垂直的場強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場和磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，且電場和磁場根據(jù)需要可同時存在或單獨(dú)存在．在此空間中建立Oxyz空間直角坐標(biāo)系，且xOy位于水平面，
（1）若電場和磁場同時存在，且B和E的方向分別與x軸和y軸正方向相同時，有一電量為+q的帶電粒子（重力不計）由坐標(biāo)原點(diǎn)O沿z軸正方向進(jìn)入該區(qū)域后做勻速直線運(yùn)動，則該粒子運(yùn)動速度v為多大？
（2）若有一電量為+q的帶電粒子（重力不計）由坐標(biāo)原點(diǎn)O沿z軸正方向以（1）問中的速度v進(jìn)入該區(qū)域后，僅存在電場，且E的方向沿y軸正方向，當(dāng)粒子運(yùn)動方向與z軸正方向的夾角滿足tan時，撤去電場．經(jīng)過一段時間后僅加上磁場，且B的方向為x軸的負(fù)方向，粒子在以后的運(yùn)動中正好能與 y 軸相切．問粒子在無電、磁場時的運(yùn)動時間為僅受電場力作用時間的多少倍？
（3）若電場和磁場同時存在，且B和E的方向分別與x軸和y軸正方向相同時，有一質(zhì)量為m、帶電量為+q的帶電小球在yOz平面內(nèi)做勻速率運(yùn)動，試判斷該小球的運(yùn)動性質(zhì)并計算其運(yùn)動速率．

Answer 1

【答案】分析：（1）重力不計，粒子進(jìn)入場區(qū)做勻速直線運(yùn)動時，受到的洛倫茲力與電場力平衡，由平衡條件列式可求得速度v；
（2）設(shè)電場力作用時間為t₁，無電、磁場時的運(yùn)動時間為t₂．有電場時，粒子做類平拋運(yùn)動，據(jù)題意，粒子運(yùn)動方向與z軸正方向的夾角滿足tan時撤去電場，由速度的分解求得粒子沿y軸和z軸兩個方向分速度之比．粒子沿z軸方向做勻速直線運(yùn)動，AO在z軸上的分位移為 z=v（t₁+t₂），又根據(jù)幾何關(guān)系得：z=R+Rsinθ=1.6R，而粒子圓周運(yùn)動的半徑R=，聯(lián)立即可解得時間之比．
（3）小球做勻速直線運(yùn)動，根據(jù)平衡條件列式求速率．
解答：解：（1）由題，粒子進(jìn)入場區(qū)做勻速直線運(yùn)動時，受到的洛倫茲力與電場力平衡，則有 qE=qvB
解得，v=
（2）畫出粒子在yOz平面內(nèi)的軌跡如圖所示．設(shè)電場力作用時間為t₁，無電、磁場時的運(yùn)動時間為t₂．
當(dāng)粒子在電場中運(yùn)動方向與z軸正方向的夾角滿足tan時，則有
  ==
解得，t₁==
AO在z軸上的分位移為 z=v（t₁+t₂） ①
由圖中幾何關(guān)系得
   AO在z軸上的分位移為 z=R+Rsinθ=1.6R=== ②
由①、②得：t₁+t₂=，t₂=，
所以=
（3）小球做勻速直線運(yùn)動，則=qvB
解得，v=
答：
（1）粒子運(yùn)動速度v為．
（2）粒子在無電、磁場時的運(yùn)動時間為僅受電場力作用時間的倍？
（3）小球的運(yùn)動性質(zhì)是勻速直線運(yùn)動，其運(yùn)動速率為．
點(diǎn)評：本題是帶電粒子在復(fù)合場中運(yùn)動的類型，分析粒子的受力情況和運(yùn)動情況是關(guān)鍵，再運(yùn)用力學(xué)的方法進(jìn)行處理．