Question

（強(qiáng)化班學(xué)生做）如圖所示，第四象限內(nèi)有互相正交的勻強(qiáng)電場E與勻強(qiáng)磁場B₁，E的大小為0.5×10³V/m，B₁大小為0.5T．第一象限的某個矩形區(qū)域內(nèi)，有方向垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場B₂，磁場的下邊界與x軸重合．一質(zhì)量m=1×10^-14kg、電荷量q=1×10^-10C的帶正電微粒以某一速度v沿與y軸正方向60°角從M點(diǎn)沿直線運(yùn)動，經(jīng)P點(diǎn)即進(jìn)入處于第一象限內(nèi)的磁場B₂區(qū)域．一段時間后，微粒經(jīng)過y軸上的N點(diǎn)并與y軸正方向成60°角的方向飛出．M點(diǎn)的坐標(biāo)為（0，-10），N點(diǎn)的坐標(biāo)為（0，30），不計微粒的重力，g取10m/s²．求：
（1）請分析判斷勻強(qiáng)電場E₁的方向并求出微粒的運(yùn)動速度v；
（2）勻強(qiáng)磁場B₂的大小為多大；
（3）B₂磁場區(qū)域的最小面積為多少？

Answer 1

【答案】分析：帶電粒子在電場與磁場共同作用下做直線運(yùn)動，則可得洛倫茲力與電場力相平衡．當(dāng)經(jīng)過磁場B₂區(qū)域一段時間后，微粒經(jīng)過y軸上的N點(diǎn)并與y軸正方向成60°角的方向飛出，粒子在磁場B₂區(qū)域做勻速圓周運(yùn)動，若要求出B₂磁場區(qū)域的最小面積，則且?guī)д�電微粒以某一速度v沿與y軸正方向60°角從M點(diǎn)沿直線運(yùn)動，從N點(diǎn)射出夾角相同．所以運(yùn)動圓弧與直線MP及N點(diǎn)的速度反方向直線相切．
解答：解：（1）粒子在電場與磁場中做直線運(yùn)動，速度會引起洛倫茲力的變化，因此微粒必做勻速直線運(yùn)動，所以洛倫茲力與電場力相平衡．則有
B₁qv=qE 
解之得：=，
根據(jù)左手定則可得運(yùn)動的正電荷所受洛倫茲力方向?yàn)椋捍怪庇诔跛俣确较蛳蛏希�所以電場力的方向與洛倫茲力方向相反，即垂直于速度方向向下．
（2）粒子在磁場B₂區(qū)域內(nèi)做一段圓弧運(yùn)動，畫出微粒的運(yùn)動軌跡如圖．則有：微粒做圓周運(yùn)動的向心力由洛倫茲力提供，
即，
再 由幾何關(guān)系可知粒子在第一象限內(nèi)做圓周運(yùn)動的半徑為   
解之得 ．
（3）由圖可知，磁場B2的最小區(qū)域應(yīng)該分布在圖示的矩形PACD內(nèi)．
由幾何關(guān)系易得PD=2Rsin60°=0.2m  

所以，所求磁場的最小面積為．
點(diǎn)評：當(dāng)帶電粒子在電場與磁場中做直線運(yùn)動時，由于洛倫茲力由速度決定，所以粒子必做勻速直線運(yùn)動．當(dāng)粒子進(jìn)入磁場時，僅受洛倫茲力做勻速圓周運(yùn)動，由幾何關(guān)系可確定磁感應(yīng)強(qiáng)度．