Question

（18分）如圖所示，坐標(biāo)系xOy在豎直平面內(nèi)，x軸正方向水平向右，y軸正方向豎直向上。y<0的區(qū)域有垂直于坐標(biāo)平面向外的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B；在第一象限的空間內(nèi)有與x軸平行的勻強(qiáng)電場(chǎng)（圖中未畫(huà)出）；第四象限有與x軸同方向的勻強(qiáng)電場(chǎng)；第三象限也存在著勻強(qiáng)電場(chǎng)（圖中未畫(huà)出）。一個(gè)質(zhì)量為m、電荷量為q的帶電微粒從第一象限的P點(diǎn)由靜止釋放，恰好能在坐標(biāo)平面內(nèi)沿與x軸成θ=30°角的直線斜向下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)x軸上的a點(diǎn)進(jìn)入y<0的區(qū)域后開(kāi)始做勻速直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)y軸上的b點(diǎn)進(jìn)入x<0的區(qū)域后做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，最后通過(guò)x軸上的c點(diǎn)，且Oa=Oc。已知重力加速度為g，空氣阻力可忽略不計(jì)。求：

（1）微粒的電性及第一象限電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度E1；

（2）帶電微粒由P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到c點(diǎn)的過(guò)程中，其電勢(shì)能的變化量大��；

（3）帶電微粒從a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到c點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間。

 

Answer 1

【答案】

（1）mg/q，方向水平向左（或沿x軸負(fù)方向）；（2）；（3）。

【解析】

試題分析：（1）在第一象限內(nèi)，帶電微粒從靜止開(kāi)始沿Pa做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，受重力mg和電場(chǎng)力qE1的合力一定沿Pa方向，電場(chǎng)力qE1一定水平向左。????????? 1分

帶電微粒在第四象限內(nèi)受重力mg、電場(chǎng)力qE2和洛侖茲力qvB做勻速直線運(yùn)動(dòng)，所受合力為零。分析受力可知微粒所受電場(chǎng)力一定水平向右，故微粒一定帶正電。?? 1分

所以，在第一象限內(nèi)E1方向水平向左（或沿x軸負(fù)方向）。???????? 1分

根據(jù)平行四邊形定則，有 mg=qE1tanθ?????????????????? 1分

解得?? E1=mg/q?????????????????????????? 1分

（2）帶電粒子從a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到c點(diǎn)的過(guò)程中，速度大小不變，即動(dòng)能不變，且重力做功為零，所以從a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到c點(diǎn)的過(guò)程中，電場(chǎng)力對(duì)帶電粒子做功為零。????? 1分

由于帶電微粒在第四象限內(nèi)所受合力為零，因此有? qvBcosθ=mg?????? 1分

帶電粒子通過(guò)a點(diǎn)的水平分速度vx=vcosθ= ????????????? 1分

帶電粒子在第一象限時(shí)的水平加速度ax=qE1/m=g?????????? 1分

帶電粒子在第一象限運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沿水平方向的位移x=???? 0.5分

由P點(diǎn)到a點(diǎn)過(guò)程中電場(chǎng)力對(duì)帶電粒子所做的功W電=qE1x=????? 1分

因此帶電微粒由P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到c點(diǎn)的過(guò)程中，電勢(shì)能的變化量大小

ΔE電=????????????????????? 0.5分

說(shuō)明：其他方法正確的同樣得分。但用動(dòng)能定理的水平分量式求解的不能得分。

（3）在第三象限內(nèi)，帶電微粒由b點(diǎn)到c點(diǎn)受重力mg、電場(chǎng)力qE3和洛侖茲力qvB做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，一定是重力與電場(chǎng)力平衡，所以有qE3=mg???????????? 1分

設(shè)帶電微粒做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為R，

根據(jù)牛頓第二定律，有? qvB=mv2/R???? ?????????????????? 1分

帶電微粒做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期 T=???????????????? 1分

帶電微粒在第三象限運(yùn)動(dòng)的軌跡如圖所示，連接bc弦，因Oa=Oc，所以Δabc為等腰三角形，即∠Ocb=∠Oab=30°。過(guò)b點(diǎn)做ab的垂線，與x軸交于d點(diǎn)，因∠Oba=60°，所以∠Obd=30°, 因此Δbcd為等腰三角形，bc弦的垂直平分線必交于軸上的d點(diǎn),即d點(diǎn)為圓軌跡的圓心?????????? 1分

所以帶電粒子在第四象限運(yùn)動(dòng)的位移xab=Rcotθ=R

其在第四象限運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t1= ???????????????? 1分

由上述幾何關(guān)系可知，帶電微粒在第三象限做勻速圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角為120°，即轉(zhuǎn)過(guò)1/3圓周，所以從b到c的運(yùn)動(dòng)時(shí)間? t2= ?????????? 1分

因此從a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到c點(diǎn)的時(shí)間? t=t1+t2=+=????? 1分

考點(diǎn)：牛頓第二定律，電場(chǎng)力做功，電勢(shì)能等。