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如图所示(俯视),MN和PQ是两根固定在同一水平面上的足够长且电阻不计的平行金属导轨.两导轨间距为L=0.2m,其间有一个方向垂直水平面竖直向下的匀强磁场B1=5.0T.导轨上NQ之间接一电阻R1=0.40Ω,阻值为R2=0.10Ω的金属杆垂直导轨放置并与导轨始终保持良好接触.两导轨右端通过金属导线分别与电容器C的两极相连.电容器C紧靠准直装置b,b紧挨着带小孔a(只能容一个粒子通过)的固定绝缘弹性圆筒.圆筒壁光滑,筒内有垂直水平面竖直向下的匀强磁场B2,O是圆筒的圆心,圆筒的内半径r=0.40m.
(1)用一个方向平行于MN水平向左且功率恒定为P=80W的外力F拉金属杆,使杆从静止开始向左运动.已知杆受到的摩擦阻力大小恒为Ff=6N,求:当金属杆最终匀速运动时杆的速度大小及电阻R1消耗的电功率?
(2)当金属杆处于(1)问中的匀速运动状态时,电容器C内紧靠极板的D处的一个带正电的粒子经C加速、b准直后从a孔垂直磁场B2并正对着圆心O进入筒中,该带电粒子与圆筒壁碰撞四次后恰好又从小孔a射出圆筒.已知该带电粒子每次与筒壁发生碰撞时电量和能量都不损失,不计粒子的初速度、重力和空气阻力,粒子的荷质比q/m=5×107(C/kg),则磁感应强度B2多大(结果允许含有三角函数式)?
(1)(2)见解析
(1)金属杆先做加速度变小的加速运动,最终以最大速度匀速运动.设杆匀速运动时速度为v,回路中的感应电流为I,杆受到的安培力大小为FA,电阻R1消耗的电功率为P1,则
(1)           (2)       (3)
联立(2)(3)得:         (4)
将已知数据代入(4)式解得:                ……(4分)
以及:                            ……(1分)
(2)设杆匀速运动时C两极板间的电压为U,带电粒子进入圆筒的速率为V、在磁场中作匀速圆周运动的半径为R,由于C与电阻R1并联,
据欧姆定律得,                        
据动能定理有,                       (5)
带电粒子在磁场中作匀速圆周运动,    (6)
联立(5)(6)得:                  (7)……(4分)
由于带电粒子与圆筒壁碰撞时无电量和能量损失,那么每次碰撞前后粒子速度大小不变、速度方向总是沿着圆筒半径方向,4个碰撞点与小孔a恰好将圆筒壁五等分,粒子在圆筒内的轨迹具有对称性,由5段相同的圆弧组成,设每段轨迹圆弧对应的圆心角为,则由几何关系可得:
     (8)……(1分)
有两种情形符合题意(如图所示):
(ⅰ)情形1:每段轨迹圆弧对应的圆心角为
联立(7)(8)并代入值得: (9)
将数据代入(9)式得: (10)……(4分)

(ⅱ)情形2:每段轨迹圆弧对应的圆心角为  
联立(7)(8)并代入值得: (11)
将数据代入(11)式得:        (12)……(4分)
练习册系列答案
相关习题

科目:高中物理 来源:不详 题型:单选题

如图所示,两根足够长的平行光滑金属导轨与水平方向成θ角放置,下端接有电阻R,一根质量为m的导体棒垂直放置在导轨上,与导轨保持良好接触,匀强磁场垂直导轨平面向上,导体棒在外力作用下向上匀速运动。不计导体棒和导轨的电阻,则下列说法正确的是
A.拉力做的功等于棒的机械能的增量
B.合力对棒做的功等于棒动能的增量
C.拉力与棒受到的磁场力的合力为零
D.拉力对棒做的功与棒克服重力做功之差等于回路中产生的电能

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科目:高中物理 来源:不详 题型:单选题

质量为m的带电小球在正交的匀强电场、匀强磁场中做匀速圆周运动,轨道平面在竖直平面内,电场方向竖直向下,磁场方向垂直圆周所在平面向里,如图所示,由此可知(    )
A.小球带正电
B.小球带负电,
C.沿逆时针方向运动
D.沿顺时针方向运动

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科目:高中物理 来源:不详 题型:计算题

如图18所示,光滑的平行金属导轨水平放置,电阻不计,导轨间距为l,左侧接一阻值为R的电阻.区域cdef内存在垂直轨道平面向下的有界匀强磁场,磁场宽度为x.一质量为m、电阻为r的金属棒MN置于轨道上,与导轨垂直且接触良好,受到水平拉力F=(0.5v+0.4) N(v为某时刻金属棒运动的瞬时速度)的作用,从磁场的左边界由静止开始运动.已知l=1 m,m=1 kg,R=0.3 Ω,r=0.2 Ω,x=0.8 m,如果测得电阻R两端的电压U随着时间是均匀增大的,那么:

(1)分析并说明该金属棒在磁场中做何种运动;
(2)金属棒到达ef处的速度应该有多大;
(3)分析并求解磁感应强度B的大小.

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科目:高中物理 来源:不详 题型:计算题

一根长为l的绝缘细线一端固定,另一端连着一质量为m的带正电A球,置于水平向左的电场中,已知A球所受的电场力大小为。另有一质量为2m的B球静止地悬挂在一弹簧下端(B球与弹簧均为绝缘材料制成),弹簧伸长,现让A球沿如图虚线上摆,摆到水平位置时速度,恰好与B球发生正碰,B球受碰后向上振动,到达最高点时,弹簧被压缩。求:A球回到最低点M时细线受到的拉力大小。   

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科目:高中物理 来源:不详 题型:单选题

如图4所示,足够长的光滑U型导轨宽度为L,其所在平面与水平面的夹角为,上端连接一个阻值为R的电阻,置于磁感应强度大小为B,方向垂直于导轨平面向上的匀强磁场中,今有一质量为、有效电阻的金属杆沿框架由静止下滑,设磁场区域无限大,当金属杆下滑达到最大速度时,运动的位移为,则
A.金属杆下滑的最大速度
B.在此过程中电阻R产生的焦耳热为
C.在此过程中电阻R产生的焦耳热为
D.在此过程中流过电阻R的电量为

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科目:高中物理 来源:不详 题型:计算题

(22分)如图甲所示,在xOy坐标平面的第一象限(包括x、y轴)内存在磁感应强度大小为B0、方向垂直于xOy平面且随时间做周期性变化的匀强磁场,如图乙所示,规定垂直xOy平面向里的磁场方向为正。在y轴左侧有一对竖直放置的平行金属板M、N,两板间的电势差为U0。一质量为m、电量为q的带正电粒子(重力和空气阻力均忽略不计),从贴近M板的中点无初速释放,通过N板小孔后从坐标原点O以某一速度沿x轴正方向垂直射入磁场中,经过一个磁场变化周期T0(T0未知)后到达第一象限内的某点P,此时粒子的速度方向恰好沿x轴正方向。

(1)求粒子进入磁场作匀速圆周运动时的运动半径;
(2)若粒子在t=0时刻从O点射入磁场中,求粒子在P点纵坐标的最大值ym及相应的磁场变化周期T0的值;
(3)若在上述(2)中,第一象限内y=ym处平行x轴放置有一屏幕,如图甲,磁场变化周期为上述(2)中T0,但M、N两板间的电势差U可以在U0<U<9U0范围内变化,粒子仍在t=0时刻从O点射入磁场中,求粒子可能击中的屏幕范围。

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科目:高中物理 来源:不详 题型:计算题

如图所示,在轴上方有一匀强电场,场强大小为,方向竖直向下。在轴下方有一匀强磁场,磁感应强度为,方向垂直于纸面向里。在轴上有一点,离原点距离为。现有一带电量为,质量为的粒子,不计重力,从区间某点由静止开始释放后,能经过点。试求:

(1)释放瞬间粒子的加速度;
(2)释放点的坐标应满足的关系式?

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科目:高中物理 来源:不详 题型:计算题

如图所示,相距2L的AB、CD两直线间存在着两个大小不同、方向相反的有界匀强电场,其中PT上方的电场E1方向竖直向下,PT下方的电场E0方向竖直向上,在电场左边界AB上宽为L的PQ区域内,连续分布着电荷量为+q、质量为m的粒子。从某时刻起由Q到P点间的带电粒子,依次以相同的初速度v0沿水平方向垂直射入匀强电场E0中,若从Q点射入的粒子,通过PT上的某点R进入匀强电场E1后从CD边上的M点水平射出,其轨迹如图所示,测得MT两点的距离为L/2。不计粒子重力及它们间的相互作用。试求:(m、q、L,、a、 v0为已知量)

小题1:电场强度E0的大小;
小题2:在PQ间还有许多水平射入电场的粒子通过电场后也能垂直CD边水平射出,这些入射点到P点的距离有什么规律?
小题3:有一边长为a、由光滑绝缘壁围成的正方形容器,在其边界正中央开有一小孔S,将其置于CD右侧,若从Q点射入的粒子经AB、CD间的电场从S孔水平射入容器中。欲使粒子在容器中与器壁多次垂直碰撞后仍能从S孔射出(粒子与绝缘壁碰撞时无能量和电量损失),并返回Q点,在容器中现加上一个如图所示的匀强磁场,粒子运动的半径小于a,磁感应强度B的大小还应满足什么条件?

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