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(2011?抚顺一模)如图所示,直角坐标系在一真空区域里,y轴的左方有一匀强电场,场强方向跟y轴负方向成θ=
30°角,y轴右方有一垂直于坐标系平面的匀强磁场,在x轴上的A点有一质子发射器,它向x轴的正方向发射速度大小为v=2.0×106m/s的质子,质子经磁场在y轴的P点射出磁场,射出方向恰垂直于电场的方向,质子在电场中经过一段时间,运动到x轴的Q点.已知A点与原点O的距离为10cm,Q点与原点O的距离为(20
3
-10)cm,质子的比荷为
q
m
=1.0×108C/kg
.求:
(1)磁感应强度的大小和方向;
(2)质子在磁场中运动的时间;
(3)电场强度的大小.
分析:带电粒子以一定的速度进入匀强磁场,仅在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动.由入射点与出射点可确定运动圆弧半径与已知长度的关系.从而确定磁感应强度的大小与方向,再根据运动圆弧对应的圆心角结合运动周期来求出运动的时间.当从磁场射出后,恰好又垂直射入匀强电场,做类平抛运动.由平抛运动处理规律可求出电场强度的大小.
解答:解:(1)设质子在磁场中做圆运动的半径为r.
过A、P点作速度v的垂线,交点即为质子在磁场中作圆周运动的圆心O1.由几何关系得α=θ=30°,所以:r=2OA=20cm.
设磁感应强度为B,根据质子的运动方向和左手定则,可判断磁感应强度的方向为垂直于纸面向里.
根据:
    qvB=m
v2
r
  得:B=
mv
qr
=
2×106
1×108×0.2
T=0.1T

(2)设质子在磁场中运动的时间为t,如图所示,质子在磁场中转过的圆周角为
7π
6
,设质子在磁场中运动的周期为T
      T=
2πm
Bq
∴
t
T
=
7π
6
2π
=
7
12
    则有t=
7π
6
×10-7s

(3)如图所示,过Q点做平行于P点速度方向的平行线,交AM于N点,在三角形QAN中,边长QA=20
3
cm
.由几何关系可知β=θ=30°,AN=20cm,所以,N点与O1点是重合的.质子在平行于电场方向上做匀速直线运动,在垂直于电场方向做匀加速直线运动,
qE=ma
r=
1
2
at2

由几何关系得:2r=vt
则以上三式可得:E=
mv2
2rq
=
4×1012
2×0.2×1×108
N/C
=1×105N/C.
点评:本题是带电粒子先进磁场后进电场,则粒子先做匀速圆周运动后做类平抛运动.从而根据左手定则来确定磁场方向,由半径公式与几何长度可算出磁场大小;在电场中则是将运动分解与电场方向垂直和平行的两方向,利用力与运动的关系可算出电场大小.
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