在如图所示的xoy坐标系中,y>0的区域内存在着沿y轴正方向、场强为E的匀强电场,y<0的区域内存在着垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场。一带电粒子从y轴上的P(0,h)点以沿x轴正方向的初速度射出,恰好能通过x轴上的D(d,0)点。已知带电粒子的质量为m,带电量为– q。h、d、q均大于0,不计重力的影响。
(1)若粒子只在电场作用下直接到达D点,求粒子初速度的大小v0;
(2)若粒子在第二次经过x轴时到达D点,求粒子初速度的大小v0;
(3)若粒子在从电场进入磁场时到达D点,求粒子可能具有的初速度的大小v0;
(1)粒子只在电场作用下直接到达D点
设粒子在电场中运动的时间为t,
粒子沿x方向做匀速直线运动,则 x=v0 t ① (1分)
沿y方向做初速度为0的匀加速直线运动,则 h=
② (1分)
加速度
③ (1分)
粒子只在电场作用下直接到达D点的条件为 x=d ④ (1分)
解①②③④得
(2分)
(2)粒子在第二次经过x轴时到达D点,其轨迹如图所示。设粒子进入磁场的速度大小为v,v与x轴的夹角为θ,轨迹半径为R,则
vsinθ = at ⑤ (1分)
⑥ (2分)
粒子第二次经过x轴时到达D点的条件为
x-2Rsinθ = d ⑦ (2分)
解①②③⑤⑥⑦得
+
(2分)
(3)粒子在从电场进入磁场时到达D点,其轨迹如图4所示。
根据运动对称性可知QN=2OM=2x (2分)
粒子在从电场进入磁场时到达D点的条件为
x+n(2x-2Rsinθ) =d ⑧ (3分)
其中n为非负整数。
解①②③⑤⑥⑧得
+
(3分)
解析:略
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