Question

如圖甲所示，豎直面MN的左側(cè)空間存在豎直向上的勻強(qiáng)電場(chǎng)（上、下及左側(cè)無(wú)邊界）．一個(gè)質(zhì)量為m、電量為q的可視為質(zhì)點(diǎn)的帶正電的小球，以大小為V₀的速度垂直于豎直面MN向右作直線運(yùn)動(dòng)．小球在t=0時(shí)刻通過(guò)電場(chǎng)中的P點(diǎn)，為使小球能在以后的運(yùn)動(dòng)中豎直向下通過(guò)D點(diǎn)（P、D間距為L(zhǎng)，且它們的連線垂直于豎直平面MN，D到豎直面MN的距離DQ等于L/π），經(jīng)過(guò)研究，可以在電場(chǎng)所在的空間疊加如圖乙所示隨時(shí)間周期性變化的、垂直紙面向里的磁場(chǎng)．（g=10m/s²）求：
（1）場(chǎng)強(qiáng)E的大��；
（2）如果磁感應(yīng)強(qiáng)度B₀為已知量，試推出滿足條件t₁的表達(dá)式；
（3）進(jìn)一步的研究表明，豎直向下的通過(guò)D點(diǎn)的小球?qū)⒆鲋芷谛赃\(yùn)動(dòng)．則當(dāng)小球運(yùn)動(dòng)的周期最大時(shí)，求出磁感應(yīng)強(qiáng)度B₀及運(yùn)動(dòng)的最大周期T的大小，并在圖中定性畫出小球運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期的軌跡（只需要畫出一種可能的情況）

Answer 1

分析：（1）小球受到電場(chǎng)力與重力相平衡，即可求解；
（2）根據(jù)洛倫茲力提供向心力，結(jié)合幾何關(guān)系，從而即可求解；
（3）小球運(yùn)動(dòng)的速率始終不變，當(dāng)R變大時(shí)，T₀也增加，由周期公式結(jié)合長(zhǎng)度關(guān)系，可求出磁感應(yīng)強(qiáng)度，由運(yùn)動(dòng)軌跡，可求出最大周期．并畫出運(yùn)動(dòng)軌跡．

解答：解：（1）小球進(jìn)入電場(chǎng)，做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)　Eq=mg①
解得：E=

mg

q

      ②
（2）在t₁時(shí)刻加磁場(chǎng)，小球在時(shí)間t₀內(nèi)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，設(shè)圓周運(yùn)動(dòng)周期為T₀，半徑為R．
豎直向下通過(guò)D點(diǎn)，則：t₀=

3

4

T₀             ③
Bqv0=m

v02

R

④
PF-PD=R     
即v₀t₁-L=R⑤
將③、④代入⑤式解得：t1=

L

v0

+

m

qB0

⑥
（3）小球運(yùn)動(dòng)的速率始終不變，當(dāng)R變大時(shí)，T₀也增加，小球在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)周期T也增加．
在小球不飛出電場(chǎng)的情況下，當(dāng)T最大時(shí)，有：
DQ=2R 即  

L

π

=

2mv0

qB0

⑥
T0=

2πR

v0

=

2πm

B0q

⑦
結(jié)合⑥⑦式解得：B0=

2πmv0

qL

⑧
T0=

L

v0

⑨
結(jié)合軌跡圖可知，小球在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的最大周期，T=4×(

3T0

4

+t0)⑩
結(jié)合上式解得：T=

6L

v0

小球在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期的軌跡圖如圖所示；

答：（1）場(chǎng)強(qiáng)E的大小E=

mg

q

；
（2）如果磁感應(yīng)強(qiáng)度B₀為已知量，試推出滿足條件t₁的表達(dá)式得：t1=

L

v0

+

m

qB0

；
（3）磁感應(yīng)強(qiáng)度B₀及運(yùn)動(dòng)的最大周期T的大�。�T=

6L

v0

，小球運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期的軌跡如上圖所示．

點(diǎn)評(píng)：考查粒子受到電場(chǎng)力與洛倫茲力作用，涉及勻速直線運(yùn)動(dòng)與勻速圓周運(yùn)動(dòng)，掌握平衡方程與牛頓第二定律的方程，注意幾何知識(shí)在題中的應(yīng)用，并掌握運(yùn)動(dòng)軌跡的對(duì)稱性．