Question

如圖甲所示，在邊界MN左側(cè)存在斜方向的勻強(qiáng)電場E₁；在MN的右側(cè)有豎直向上、場強(qiáng)大小為E₂=0.4N/C的勻強(qiáng)電場，還有垂直紙面向內(nèi)的勻強(qiáng)磁場B（圖甲中未畫出）和水平向右的勻強(qiáng)電場E₃（圖甲中未畫出），B和E₃隨時(shí)間變化的情況如圖乙所示，P₁P₂為距MN邊界2.28m的豎直墻壁，現(xiàn)有一帶正電微粒質(zhì)量為4×10^-7kg，電量為1×10^-5C，從左側(cè)電場中距MN邊界m的A處無初速釋放后沿直線運(yùn)動(dòng)，最后以1m/s的速度垂直MN邊界進(jìn)入右側(cè)場區(qū)，設(shè)此時(shí)刻t=0，取g=10m/s²．求：
（1）MN左側(cè)勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度E₁（sin37°=0.6）；
（2）帶電微粒在MN右側(cè)場區(qū)中運(yùn)動(dòng)了1.5s時(shí)的速度；
（3）帶電微粒在MN右側(cè)場區(qū)中運(yùn)動(dòng)多長時(shí)間與墻壁碰撞？（≈0.19）

Answer 1

【答案】分析：該題中（1）是帶電粒子在勻強(qiáng)電場和重力場中的運(yùn)動(dòng)，對微粒做出正確的受力分析，可以得到正確的結(jié)果．在（2）問中，首先要判定微粒的重力和電場力E₂q是一對平衡力，然后結(jié)合圖1，分析在不同的時(shí)間段內(nèi)的受力和運(yùn)動(dòng)，即可解答．第三問較為復(fù)雜，要先計(jì)算出在0s∽1s時(shí)間內(nèi)帶電微粒前進(jìn)距離和帶電微粒在磁場B中作圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，判定微粒在第一個(gè)周期內(nèi)是否會(huì)打在墻壁上，若不能，再計(jì)算出在2.0s∽3s時(shí)間內(nèi)帶電微粒前進(jìn)距離和帶電微粒在磁場B中作圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，判定微粒在第二個(gè)周期內(nèi)是否會(huì)打在墻壁上，判定的結(jié)果是能夠打在墻壁上，畫出軌跡圖象，即可做出正確的判定．
解答：解：（1）設(shè)MN左側(cè)勻強(qiáng)電場場強(qiáng)為E₁，方向與水平方向夾角為θ．
帶電小球受力如右圖．

沿水平方向有   qE₁cosθ=ma
沿豎直方向有   qE₁sinθ=mg
對水平方向的勻加速運(yùn)動(dòng)有       v²=2as
代入數(shù)據(jù)可解得 E₁=0.5N/C，θ=53°
即E₁大小為0.5N/C，方向與水平向右方向夾53°角斜向上．
（2）帶電微粒在MN右側(cè)場區(qū)始終滿足 qE₂=mg
在0∽1s時(shí)間內(nèi)，帶電微粒在E₃電場中  m/s²
帶電微粒在1s時(shí)的速度大小為  v₁=v+at=1+0.1×1=1.1m/s
在1∽1.5s時(shí)間內(nèi)，帶電微粒在磁場B中運(yùn)動(dòng)，
周期為 s
在1∽1.5s時(shí)間內(nèi)，帶電微粒在磁場B中正好作半個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)．所以帶電微粒在MN右側(cè)場區(qū)中運(yùn)動(dòng)了1.5s時(shí)的速度大小為1.1m/s，方向水平向左．
（3）在0s∽1s時(shí)間內(nèi)帶電微粒前進(jìn)距離 s₁=vt+at²=1×1+×0.1×1²=1.05m
帶電微粒在磁場B中作圓周運(yùn)動(dòng)的半徑 m
因?yàn)閞+s₁＜2.28m，所以在1s∽2s時(shí)間內(nèi)帶電微粒未碰及墻壁．
在2s∽3s時(shí)間內(nèi)帶電微粒作勻加速運(yùn)動(dòng)，加速度仍為 a=0.1m/s²，
在3s內(nèi)帶電微粒共前進(jìn)距離
s₃=m                      
在3s時(shí)帶電微粒的速度大小為 v₃=v+at₃=1+0.1×2=1.2m/s
在3s∽4s時(shí)間內(nèi)帶電微粒在磁場B中作圓周運(yùn)動(dòng)的半徑m=0.19m
因?yàn)閞₃+s₃＞2.28m，所以在4s時(shí)間內(nèi)帶電微粒碰及墻壁．
帶電微粒在3s以后運(yùn)動(dòng)情況如右圖，

其中 d=2.28-2.2=0.08m
sinθ=，θ=30°
所以，帶電微粒作圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為s
帶電微粒與墻壁碰撞的時(shí)間為 t_總=3+=s
答：（1）MN左側(cè)勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度E₁=0.5N/C，方向與水平向右方向夾53°角斜向上；（2）帶電微粒在MN右側(cè)場區(qū)中運(yùn)動(dòng)了1.5s時(shí)的速度為1.1m/s，方向水平向左；
（3）帶電微粒在MN右側(cè)場區(qū)中與墻壁碰撞前運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為s．
點(diǎn)評：該題考查帶電微粒在電場和磁場中的運(yùn)動(dòng)，情景復(fù)雜，頭緒較多，解答的過程中，要對各種情景有非常清晰的判斷，才能理清頭緒，正確作答．題目難度大．