Question

13．如圖1所示，在xoy平面的第Ⅰ象限內(nèi)有沿x軸正方向的勻強電場E₁；第Ⅱ、Ⅲ象限內(nèi)同時存在著豎直向上的勻強電場E₂和垂直紙面的勻強磁場B，E₂=2.5N/C，磁場B隨時間t周期性變化的規(guī)律如圖2所示，B₀=0.5T，垂直紙面向外為磁場正方向．一個質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電液滴從P點（0.6m，0.8m）處以速度v₀=3m/s沿x軸負方向入射，恰好以指向y軸負方向的速度v經(jīng)過原點O后進入x≤0的區(qū)域．已知：m=5×10^-5kg，q=2×10^-4C，t=0時液滴恰好通過O點，g取10m/s²．

（1）求電場強度E₁和液滴到達O點時速度v的大小；
（2）液滴從P點開始運動到第二次經(jīng)過x軸所需的時間；
（3）若從某時刻起磁場突然消失，發(fā)現(xiàn)液滴恰好能垂直穿過x軸并平行y軸作勻速直線運動，求液滴與x軸的交點到坐標原點O的距離．

Answer 1

分析 （1）由洛倫茲力液滴在x＞0的區(qū)域內(nèi)受豎直向下的重力和水平向右的電場力的作用．液滴在豎直方向上做自由落體運動，在水平方向上做勻減速運動，列出相應(yīng)的運動學(xué)的方程即可；
（2）提供向心力可以得到軌道半徑，由軌道半徑可得周期，由磁場的變化可以畫出在第一段時間內(nèi)粒子的運動軌跡，由運動軌跡的幾何關(guān)系可得到粒子運動的時間．
（3）依據(jù)第二問得到的結(jié)果，由圖中幾何關(guān)系和周期性求解液滴與x軸的交點到坐標原點O的距離．

解答 解：（1）液滴在x＞0的區(qū)域內(nèi)受豎直向下的重力和水平向右的電場力的作用．
液滴在豎直方向上做自由落體運動，則
 y=$\frac{1}{2}$gt² ；     
 v=gt
解得：v=4m/s
液滴在水平方向上做勻減速運動
 v₀=at     
由牛頓第二定律有 E₁q=ma
聯(lián)立得 E₁=1.875N/C
（2）液滴進入x＜0的區(qū)域后，由于 E₂q=mg，液滴運動軌跡如圖1所示，其做圓周運動的大、小圓半徑分別為r₁、r₂，運動周期分別為T₁、T₂．則
 qvB₀=m$\frac{{v}^{2}}{{r}_{1}}$
 2qvB₀=m$\frac{{v}^{2}}{{r}_{2}}$
代入解得 r₁=2 m，r₂=1 m
周期 T₁=$\frac{2πm}{q{B}_{0}}$，T₂=$\frac{πm}{q{B}_{0}}$，即得：T₁=π s，T₂=0.5π s
液滴從P點到第二次穿過x軸經(jīng)過的時間t_總：
 t_總=t+$\frac{{T}_{1}}{4}$+$\frac{{T}_{2}}{4}$=（$\frac{π}{2}$+0.4）s
（3）若磁場消失時，液滴在x軸上方，如圖所示．
由幾何知識可得，液滴與x軸的交點到坐標原點O的距離 S₁=（r₁-r₂）+n•2r₂=（1+2n）m，（n=0，1，2，…）
若磁場消失時，液滴在x軸下方，如圖所示．
由幾何知識可得，液滴與x軸的交點到坐標原點O的距離 S₂=（r₁+r₂）+k•2r₂=（3+2n）m，（k=0，1，2，…）
答：
（1）電場強度是1.875N/C，液滴到達O點時速度v的大小是4m/s；
（2）液滴從P點開始運動到第二次經(jīng)過x軸所需的時間是（$\frac{π}{2}$+0.4）s；
（3）液滴與x軸的交點到坐標原點O的距離為（1+2n）m，（n=0，1，2，…）或（3+2n）m，（k=0，1，2，…）．

點評 本題重點是對磁場周期性的應(yīng)用，磁場的周期性一定就會由粒子運動周期性的變化，故只要得到一個周期的運動軌跡，就可以重復(fù)畫軌跡，直到得到想要的結(jié)果．本題由于粒子的運動軌跡比較復(fù)雜，故考察的難度相對較大．