Question

（16分）如圖所示，直角坐標系xoy位于豎直平面內，在?m≤x≤0的區(qū)域內有磁感應強度大小B = 4.0×10^-4T、方向垂直于紙面向里的條形勻強磁場，其左邊界與x軸交于P點；在x＞0的區(qū)域內有電場強度大小E = 4N/C、方向沿y軸正方向的條形勻強電場，其寬度d = 2m。一質量m = 6.4×10^-27kg、電荷量q =?-3.2×10^?19C的帶電粒子從P點以速度v = 4×10⁴m/s，沿與x軸正方向成α=60°角射入磁場，經(jīng)電場偏轉最終通過x軸上的Q點（圖中未標出），不計粒子重力。求：

⑴帶電粒子在磁場中運動時間；
⑵當電場左邊界與y軸重合時Q點的橫坐標；
⑶若只改變上述電場強度的大小，要求帶電粒子仍能通過Q點，討論此電場左邊界的橫坐標x′與電場強度的大小E′的函數(shù)關系。

Answer 1

（1）5.23×10^-5s（2）x=5m（3）當0＜x′＜3m時 ；當3m≤≤5m時

試題分析：⑴帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力，根據(jù)牛頓第二定律有
        （1分）
代入數(shù)據(jù)得：      （1分）
軌跡如圖1交y軸于C點，過P點作v的垂線交y軸于O₁點，
由幾何關系得O₁為粒子運動軌跡的圓心，且圓心角為60°。 （1分）
在磁場中運動時間          （1分）
代入數(shù)據(jù)得：t=5.23×10^-5s         （1分）

⑵帶電粒子離開磁場垂直進入電場后做類平拋運動
方法 一：
粒子在電場中加速度（1分）
運動時間             （1分）
沿y方向分速度   （1分）
沿y方向位移          （1分）
粒子出電場后又經(jīng)時間t₂達x軸上Q點

故Q點的坐標為       （1分）
方法二：
設帶電粒子離開電場時的速度偏向角為θ，如圖1，則：
（2分）
設Q點的橫坐標為x
則：             （2分）
故x=5m。         （1分）
⑶電場左邊界的橫坐標為x′。
當0＜x′＜3m時，如圖2，設粒子離開電場時的速度偏向角為θ′，

則：          （1分）
又：         （1分）
由上兩式得：    （1分）
當3m≤≤5m時，如圖3，有

     （2分）
將y=1m及各數(shù)據(jù)代入上式得：
        （1分）