(2010?云南模擬)如圖所示,xOy平面內(nèi),第二象限勻強(qiáng)電場方向水平向右,第一象限勻強(qiáng)電場方向豎直向下,場強(qiáng)大小相等,設(shè)為E.x軸下方區(qū)域有垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度設(shè)為B,圖中OP直線與縱軸的夾角α=45°,一帶正電的粒子從OP直線上某點(diǎn)A(-L,L)處由靜止釋放,重力不計(jì).設(shè)粒子質(zhì)量為m,帶電量為q,E、B、m、q均未知,但已知各量都使用國際制單位時(shí),從數(shù)值上有B=
4mE
q

(1)求粒子進(jìn)入磁場時(shí)與x軸交點(diǎn)處的橫坐標(biāo);
(2)求粒子進(jìn)入磁場時(shí)速度方向與x軸正方向的夾角;
(3)如果在OP直線上各點(diǎn)釋放許多個上述帶電粒子(不計(jì)粒子間的相互作用),試證明各帶電粒子進(jìn)入磁場后做圓周運(yùn)動的圓心點(diǎn)的集合為一拋物線.(提示:寫出圓心點(diǎn)坐標(biāo)x、y的函數(shù)關(guān)系)
分析:(1)粒子由A點(diǎn)靜止釋放后,先做勻加速直線運(yùn)動,進(jìn)入第一象限后改作類平拋運(yùn)動,而后進(jìn)入勻強(qiáng)磁場,由類平拋運(yùn)動規(guī)律可解粒子進(jìn)入磁場時(shí)與x軸交點(diǎn)處的橫坐標(biāo)
(2)由類平拋運(yùn)動規(guī)律可解 粒子進(jìn)入磁場時(shí)與x軸交點(diǎn)處的橫坐標(biāo)
(3)求解粒子進(jìn)入磁場做勻速圓周運(yùn)動的圓心的橫縱坐標(biāo),解析圓心點(diǎn)坐標(biāo)x、y的函數(shù)關(guān)系可得圓心點(diǎn)的集合為二次函數(shù),圖形為拋物線
解答:解:(1)設(shè)粒子進(jìn)入第一象限時(shí)的速度為v1,由動能定理得:
EqL=
1
2
mv
2
1

粒子在第一象限內(nèi)做類平拋運(yùn)動,豎直向下的加速度為:
a=
Eq
m

設(shè)在第二象限內(nèi)運(yùn)動時(shí)間為t,則:
L=
1
2
at2
設(shè)入射磁場點(diǎn)的橫坐標(biāo)為x1,則:
x1=v1t④
由①②③④式得,x1=2L
(2)設(shè)粒子進(jìn)入磁場時(shí)速度方向與x軸正向的夾角為θ,則:
tanθ=
at
v1
=1⑤
所以,θ=45°
(3)粒子進(jìn)入磁場后將做勻速圓周運(yùn)動,洛倫茲力提供向心力,設(shè)其運(yùn)動半徑為r,射入速度為v,則:
v=
2
v1
由牛頓第二定律得:
Bqv=
mv2
r

由幾何關(guān)系得,圓心位置坐標(biāo)為:
x=2L-rcos45°⑦
y=-rsin45°⑧
而B=
4mE
q

由⑥⑦⑧⑨整理得x=4y2-y
所以,圓心點(diǎn)的集合為拋物線
答:(1)入射磁場點(diǎn)的橫坐標(biāo)為2L
(2)進(jìn)入磁場時(shí)速度方向與x軸正向的夾角為45°
(3)圓心點(diǎn)的集合為拋物線
點(diǎn)評:帶電粒子的偏轉(zhuǎn)往往被稱為“類平拋運(yùn)動”,利用平拋運(yùn)動規(guī)律解決,實(shí)際上在沿電場方向考慮運(yùn)動的獨(dú)立性,可再次應(yīng)用動能定理求解沿偏轉(zhuǎn)方向的分速度;在解決軌跡問題時(shí),通常整理橫縱坐標(biāo)間的數(shù)學(xué)關(guān)系時(shí),由關(guān)系式判斷圖象形狀
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