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如图所示,在平面直角坐标系xoy内,第I象限存在沿y轴正方向的匀强电场,第IV象限内存在垂直于坐标平面的匀强磁场.一质量为m的电子(电量为e,不计重力),从y轴正半轴上y=h处的M点,以速度v0垂直于y轴射入电场,经x轴上x=x=υ0t=
2
3
3
h
处的P点进入第IV象限的磁场后经过y轴的Q点,已知 OQ=OP.
(1)求匀强电场的场强大小E;
(2)求粒子经过Q点时速度大小和方向;
(3)求B的大小和方向.
分析:(1)电子在电场中做类平抛运动,水平位移和竖直位移均已知,由牛顿第二定律和运动学公式,运用运动的分解法可求出场强大小E.
(2)由速度的合成法求出电子进入第IV象限磁场时的速度大小和方向,由几何知识确定粒子经过Q点时的方向.电子在磁场中速度的大小不变.
(3)由几何知识分别求出电子在磁场中运动的轨迹半径,由半径公式即可求出B.由左手定则判断B的方向.
解答:解:(1)电子在电场中做类平抛运动,则有:
  x=υ0t=
2
3
3
h

  h=
1
2
at2

根据牛顿第二定律得:eE=ma
联立解得:E=
3mυ02
2eh

(2)画出电子在磁场中运动的轨迹图,设粒子经过Q点时速度大小为v,则
  υy=at=
3
υ0

  υ=
υ
2
0
+
υ
2
y
=2υ0

  tanθ=
υy
υ0
=
3

得:θ=60°    
∠OPO1=30°
又OQ=OP
由几何关系得:∠OQO1=∠OPO1=30°,故粒子到达Q点时速度方向与y轴正方向成60°.  
(3)设粒子在磁场中的轨迹半径为r,则由几何关系得:
rcos30°+rsin30°=op=
2
3
3
h

则得,r=(2-
2
3
3
)h

由牛顿第二定律得:eυB=m
υ2
r

解得:B=
(3+
3
)mυ0
2eh

根据左手定则判断可知,磁场B的方向方向垂直纸面向里.
答:
(1)匀强电场的场强大小E为
3m
v
2
0
2eh
;
(2)粒子经过Q点时速度大小为2v0,粒子到达Q点时速度方向与y轴正方向成60°;
(3)B的大小为
(3+
3
)mv0
2eh
,方向垂直纸面向里.
点评:本题是带电粒子在电场和磁场中运动的问题,画出轨迹,运用几何知识求出电子的轨迹半径是解题的关键,同时要抓住几个过程之间的联系,比如速度关系、位移关系等.
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(1)第二象限内电场强度的大小;
(2)电子离开电场时的速度方向与y轴正方向的夹角
(3)在图中画出电子进入第一象限后的轨道.

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2mv0
qL
、方向垂直于纸面向外的矩形磁场区域,并最终从x轴上的N(4L,0)点与x轴正向成45°角离开第一象限,题中只有m、v0、q、L为已知量,求:
(1)匀强电场的电场强度e;
(2)粒子在第一象限内运动的时间;
(3)如果粒子离开M点后有机会进入的是垂直纸面向里的矩形磁场,磁感应强度大小仍然为B=
2mv0
qL
,粒子运动一段时间后仍然能从x轴上的N点与x轴正向成45°角离开第一象限,则该矩形区域的最小面积S.

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