Question

12．如圖所示，在x軸下方存在著正交的勻強電場與勻強磁場，電場方向沿x軸正方向，電場強度的大小E₁=20N/C，磁場方向垂直紙面向里，磁感應(yīng)強度的大小B₁=5T，一個質(zhì)量為3g，電荷量q=2×10^-3C的帶正電小球自y軸上的M點沿直線勻速運動到x軸上的N點，且已知OM=4m，在x軸上方存在著正交的勻強電場E₂與勻強磁場B₂（圖中均未畫出），小球在x軸上方作勻速圓周運動，運動軌跡恰好與y軸相切，如圖所示，試求：（g=10m/s²，sin37°=0.6，cos37°=0.8）．
（1）小球運動的速率v；
（2）勻強電場E₂的大小和方向；
（3）勻強磁場B₂的大小和方向．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)小球的運動可知小球受力平衡，合外力為零；對小球受力分析，利用力的合成與分解和共點力的平衡可求出速度的大小．
（2）由圖可知，小球在x軸上方做勻速圓周運動，可判斷受到的重力和電場力平衡，由二力平衡和可求出電場E₂的大小和方向．
（3）小球在x軸上方做勻速圓周運動，由幾何關(guān)系可求出軌道半徑R為$\frac{5}{3}m$，向心力提供洛倫茲力，結(jié)合牛頓第二定律即可求出磁場B₂的大小，由左手定則可判斷方向．

解答 解：
（1）小球從M向N做勻速直線運動，可知小球所受合外力為零，對小球受力分析（如圖一所示），
受到重力、電場力和洛倫茲力作用，由小球的受力可知小球帶正電，有：
$tanθ=\frac{q{E}_{1}}{mg}=\frac{2×1{0}^{-3}×20}{3×1{0}^{-3}×10}=\frac{4}{3}$
所以θ=53°
洛倫茲力的大小與電場力和重力的合力大小相等，有：
$qv{B}_{1}=\frac{mg}{cos53°}$
得：v=5m/s
（2）小球x軸上方做勻速圓周運動（如圖二所示），可知電場力與重力平衡，所以有：
${E}_{2}=\frac{mg}{q}$
因小球帶正電，所以E₂方向沿y軸正方向．
（3）設(shè)小球在x軸上方做勻速圓周運動的半徑為R，
由幾何關(guān)系（如圖二）可得：Rsin53°+R=ON
則：ON=OMtan37°
解得$R=\frac{5}{3}m$
小球做勻速圓周運動的向心力由洛倫茲力提供，由牛頓第二定律有：
$qv{B}_{2}=m\frac{{v}^{2}}{R}$
得：${B}_{2}=\frac{mv}{qR}$=4.5T．
因小球帶正電，由左手定則可知磁感應(yīng)強度B₂的方向垂直紙面向里．
答：（1）小球運動的速率為5m/s
    （2）電場E₂的大小為15N/C，方向為沿y軸的正方向．
    （3）磁場B₂的大小為4.5T，方向為垂直紙面向里．

點評 該題考察了帶電粒子在復(fù)合場中的運動．帶電粒子在復(fù)合場中的運動情況有很多，常見的運動情況有如下幾種：
1．帶電粒子在復(fù)合場中所受的合外力為零時，粒子將處于靜止狀態(tài)或做勻速直線運動運動．
2．當(dāng)帶電粒子所受的合外力時刻指向一個圓心充當(dāng)向心力時，粒子將做勻速圓周運動（如：電場力和重力相平衡，洛倫茲力提供向心力）．
3．當(dāng)帶電粒子所受的合外力大小、方向均不斷發(fā)生變化時，則粒子將非勻變速做曲線運動．
解決此類問題的關(guān)鍵是正確的對粒子進行受力分析和運動的分析，并結(jié)合草圖進行解答．