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文档简介
1、5(20分)如图所示,第二、三象限存在足够大的匀强电场,电场强度为E,方向平行于纸面向上,一个质量为m,电量为q的正粒子,在x轴上M点(4r,0)处以某一水平速度释放,粒子经过y轴上N点(0,2r)进入第一象限,第一象限存在一个足够大的匀强磁场,其磁感应强度B2,方向垂直于纸面向外,第四象限存在另一个足够大的匀强磁场,其磁感应强度B2,方向垂直于纸面向里,不计粒子重力,r为坐标轴每个小格的标度,试求:(1)粒子初速度v0;(2)粒子第1次穿过x轴时的速度;(3)画出粒子在磁场中运动轨迹并求出粒子第n次穿过x轴时的位置坐标。5【详细分析】(1)粒子在电场中做类平抛运动则x方向:4rv0t(2分)
2、y方向:2rat2(2分)qEma(2分)可解得v02(1分)(2)结合x方向:4rv0t(1分)y方向:2rvyt(1分)则vxvy(1分)可知粒子射出电场时vv02,方向与水平成45°斜向上(2分)粒子在磁场中运动半径Rr(2分)由几何关系可知粒子第1次穿过x轴时的速度v2方向与水平成45°斜向左下方。(2分)(3)粒子轨迹如图所示(2分)分析粒子轨迹可知,粒子第n次穿过x轴时的位置坐标为(2nr,0)(2分)6(20分)如图所示,带电粒子自平行板电容器a板左端最高处,以速度v0水平射入,而后从b板中央小孔P点射入磁场,已知两板间距为d,板长均为2d,板间存在竖直方向的
3、匀强电场,已知粒子重力不计,磁场分布在b板所处水平线的下方,范围足够大,粒子质量为m,带电量为q,则:(1)若粒子恰打在b板左边缘,试求电场强度E、磁感应强度B1;(2)若粒子恰可以回到出发点,试求此时磁感应强度B2,以及粒子运动的总时间。6【详细分析】(1)分析粒子在电场中的运动水平方向:xdv0t(2分)竖直方向:ydt(2分)vv0(1分)结合ydt2可得E(1分)分析粒子在磁场中运动轨迹如图甲所示,可知甲d2Rsin (1分)qvB1(1分)RB1(1分)又sin 则B1(1分)乙(2)若粒子可以回到出发点,则由几何关系可知粒子离开位置距离b板左边缘x(1分)粒子运动半径为R,则2Rs
4、in xd(2分)qvB2(1分)RB2,又sin (1分)B2(1分)粒子在电场中运动时间t1(1分)粒子在磁场中运动时间t2(22)()(1分)粒子射出磁场后回到原点的时间t3(1分)总时间为t()(1分)5(20分)如图甲所示,在平面直角坐标系xOy中,在第一象限内两平行极板MN垂直于y轴且N板与x轴重合,左端与坐标原点O重合,两板间加上如图乙所示的周期性电压。在第二象限内,一离子源沿两极板中线连续向右发射初速度相同的带正电的粒子,x轴下方有垂直于xOy平面向外的匀强磁场,t0时刻射入板间的粒子恰好经N板右边缘射入磁场,已知两板间距为d,板长ld,匀强磁场磁感应强度为B,粒子比荷,粒子穿
5、过两板间的时间为T,粒子重力不计,求:(1)粒子的初速度v0和电压U0的大小;(2)连续发射的粒子在射出极板时,出射点偏离入射方向的最小距离;(3)粒子从x轴离开磁场区域的横坐标范围。5【详细分析】(1)粒子在两板间运动时,水平方向做匀速直线运动,T(1分)解得v0(1分)对t0时刻进入板间的粒子先在板间偏转,后匀速运动,由牛顿第二定律得:ma(1分)竖直方向上粒子先匀加速后匀速×a×()2(a×)×(2分)解得U0(1分)(2)当粒子从tT,(n1、2、3)时刻射入时偏转量最小,ymina()2(2分)解得ymin(1分)(3)所有粒子进入磁场时速度均
6、为v,与x轴夹角均为,半径为Rtan 则37°(1分)粒子进入磁场的速度为vv(1分)粒子做圆周运动qvBm(2分)Rd(1分)t时刻射入的粒子,距板的右端距离最大为x,粒子束进入磁场的宽度为x,由几何关系:tan (2分)解得xd(1分)粒子在磁场中偏转的距离为L2Rsin d(1分)t0时刻进入的粒子打在荧光屏上的坐标为x1,x1(Ll)d(1分)t时刻进入的粒子打在荧光屏上的坐标为x2,有:x2x1x0(1分)粒子从x轴离开磁场区域的横坐标范围为(d,0)答案(1)(2)(3)(d,0)6. (20分)如图所示,匀强磁场的磁感应强度为B0.15 T,方向垂直纸面向内,处于半径为
7、R0.1 m的圆形区域内,匀强磁场的最左端与y轴相切于坐标原点O。在圆形磁场的最右端有一光屏与圆形磁场相切于A点。坐标原点O有一粒子源,沿纸面向各个方向以相同的速率v03×106 m/s发射正粒子,已知粒子的比荷108 kg/C,不计粒子的重力。试求: (1)沿着x轴正方向射出的粒子通过磁场后击中光屏的点与A点距离;(2)沿什么方向发射的粒子在磁场中运动的时间最长,最长时间是多少?(3)若粒子发射方向沿x轴方向,磁场可绕O点在纸面内转动,为使得粒子击中光屏的点与A点距离最大,求磁场绕O点转过的角度,并求最大距离。6【详细分析】(1)带电粒子在磁场中运动半径r满足qvBm(2分)由解得
8、r0.2 m(1分)带电粒子运动轨迹如图a所示。根据图中几何三角关系列出:tan (1分)图a2(1分)yRtan (1分)由解得y m(1分)(2)由图a可知,粒子在磁场中运动的圆心角2,根据带电粒子在磁场中运动时间与圆心角关系:t(2分)由和sin 可知,当弦长d2R时,圆心角2为最大,粒子运动时间最大,满足:sin (2分)由解得圆心角260°,由此得粒子速度方向在第象限,与x轴成30°角时,在磁场中运动时间最长为tm7×108 s(2分)(3)先画出圆形磁场转动角情形下带电粒子在磁场中运动情形,如图b所示,由图中几何和三角关系列出:图bxrtan (1分)
9、2(1分)y(2Rx)tan (1分)由解答:y(2Rrtan )tan 0.2(1tan )(2分)由可知,当角最大时,y也最大。当带电粒子入射点和射出点刚好在一条直径上时,角最大。sin ,30°(1分)由解得ym0.2(1) m。(1分)答案(1) m(2)粒子速度方向在第象限,与x轴成30°角7×108 s(3)30°0.2(1) m4(19分)如图所示,在xOy坐标系中,x轴上方有方向沿x轴正向的匀强电场,下方有一半径为R的圆形有界匀强磁场,圆心在y轴上,且圆与x轴相切,磁场方向垂直于纸面向外,一质量为m、电荷量为q的带电粒子在坐标为(L,2L
10、)的A点,以初速度v0沿y轴负方向射入电场,且刚好从O点射入磁场,经磁场偏转后刚好平行于x轴从磁场中射出。 (1)求电场强度和磁感应强度的大小;(2)若该粒子沿y轴负方向射出时的初速度大小为v0,要使该粒子也能从O点进入磁场,且经磁场偏转后刚好平行于x轴从磁场中射出,求该粒子开始射出时的位置坐标。4【详细分析】(1)粒子从A点射入后做类平抛运动,2Lv0t1(2分)Lvxt1(2分)得vxv0(1分)粒子在O点的速度大小v1v0(1分)与x轴负方向的夹角满足tan 145°(1分)从A点到O点,根据动能定理qELmvmv(2分)求得E(1分)粒子在磁场中做匀速圆周运动,由于粒子经磁场
11、偏转后,刚好平行于x轴从磁场中射出,其运动轨迹如图所示,由几何关系可知,粒子做圆周运动的半径等于圆形有界磁场的半径,即rR(2分)求得B(1分)(2)由几何关系可知,粒子从O点进入磁场后的速度大小等于v0才能以平行于x轴的方向射出磁场。则粒子进磁场时沿x轴负方向的速度vxv0(1分)xL(2分)yv0tv0·v0·L(2分)因此粒子开始射出时的位置坐标为(L,L)(1分)答案(1)(2)(L,L)5(20分)如图(甲)所示,在直角坐标系0xL区域内有沿y轴负方向的匀强电场,右侧有一个以点(3L,0)为圆心、半径为L的圆形区域,圆形区域与x轴的交点分别为M、N。现有一质量为m
12、,带电量为e的质子,从y轴上的A点以某一初速度沿x轴正方向射入电场,经过时间t到达M点并进入圆形区域,速度方向与x轴夹角为30°。此时在圆形区域加如图(乙)所示周期性变化的磁场,以垂直于纸面向里为磁场正方向,最后质子运动一段时间后从N点飞出,飞出时速度方向与进入磁场时的速度方向相同。求:(1)质子进入圆形磁场区域时的速度大小;(2)0xL区域内匀强电场场强E的大小;(3)写出圆形磁场区域磁感应强度B0的大小、磁场变化周期T各应满足的表达式。5【详细分析】(1)质子在电场中做类平抛运动,射出电场后做匀速直线运动到达M点。所以质子进入电场的初速度为v0(2分)射出电场时,如图甲所示,由速度关系cos 30°(2分)解得v(2分)(2)由速度关系得vyv0tan 30°(2分)在竖直方向a(1分)vya··(1分)解得E(2分)(3)在磁场变化的半个周期内粒子的偏转角为60°(如图乙所示),
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