Question

16．如圖所示，直角坐標(biāo)系xOy位于豎直平面內(nèi)，在水平的x軸下方存在勻強(qiáng)磁場(chǎng)和勻強(qiáng)電場(chǎng)，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)為B，方向垂直xOy平面向里，電場(chǎng)線平行于y軸．一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電的小球，從y軸上的A點(diǎn)水平向右拋出，經(jīng)x軸上的M點(diǎn)進(jìn)入電場(chǎng)和磁場(chǎng)，恰能做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，從x軸上的N點(diǎn)第一次離開(kāi)電場(chǎng)和磁場(chǎng)，MN之間的距離為L(zhǎng)，小球過(guò)M點(diǎn)時(shí)的速度方向與x軸的方向夾角為θ．不計(jì)空氣阻力，重力加速度為g，求
（1）電場(chǎng)強(qiáng)度E的大小和方向；
（2）小球從A點(diǎn)拋出時(shí)初速度v₀的大小；
（3）A點(diǎn)到x軸的高度h．

Answer 1

分析 （1）帶電小球在受到重力、電場(chǎng)力、洛倫茲力共同作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，可得知電場(chǎng)力與重力是一對(duì)平衡力，從而可得知電場(chǎng)的方向；由二力平衡可求出電場(chǎng)的大�。�
（2）先由幾何關(guān)系表示出小球在復(fù)合場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，結(jié)合半徑公式和速度的分解，便可求出小球拋出時(shí)的初速度．
（3）小球在電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用類平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以求出h大�。�

解答 解：（1）小球在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中恰能做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，
說(shuō)明電場(chǎng)力和重力平衡（恒力不能充當(dāng)圓周運(yùn)動(dòng)的向心力），
有：qE=mg，
解得：E=$\frac{mg}{q}$；
重力的方向豎直向下，電場(chǎng)力方向只能向上，
由于小球帶正電，所以電場(chǎng)強(qiáng)度方向豎直向上．
（2）小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，O′為圓心，MN為弦長(zhǎng)，
∠MO′P=θ，如圖所示．設(shè)半徑為r，由幾何關(guān)系知：sinθ=$\frac{L}{2r}$，
小球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力由洛侖茲力提供，設(shè)小球做圓周運(yùn)動(dòng)的速率為v，
由牛頓第二定律得：qvB=m$\frac{{v}^{2}}{r}$，
由速度的合成與分解知：cosθ=$\frac{{v}_{0}}{v}$，
解得：v₀=$\frac{qBLcotθ}{2m}$；
（3）設(shè)小球到M點(diǎn)時(shí)的豎直分速度為v_y，
它與水平分速度的關(guān)系為：v_y=v₀tanθ，
由勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律得：v_y²=2gh，
解得：h=$\frac{{q}^{2}{B}^{2}{L}^{2}}{8{m}^{2}g}$；
答：（1）電場(chǎng)強(qiáng)度E的大小為：$\frac{mg}{q}$，方向：豎直向上；
（2）小球從A點(diǎn)拋出時(shí)初速度v₀的大小為$\frac{qBLcotθ}{2m}$；
（3）A點(diǎn)到x軸的高度h為$\frac{{q}^{2}{B}^{2}{L}^{2}}{8{m}^{2}g}$．

點(diǎn)評(píng) 該題考察到了復(fù)合場(chǎng)的問(wèn)題，即在同一區(qū)域內(nèi)同時(shí)存在電場(chǎng)、磁場(chǎng)和重力場(chǎng)三者中的任何兩個(gè)，或三者都存在．此類問(wèn)題看似簡(jiǎn)單，受力不復(fù)雜，但仔細(xì)分析其運(yùn)動(dòng)往往比較難以把握．
常用的處理方法：
1、建立帶電粒子在復(fù)合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的物理情景．
2、物理情（圖）景與解析幾何知識(shí)有機(jī)結(jié)合，將物理問(wèn)題化歸為數(shù)學(xué)問(wèn)題．
思想方法：數(shù)理結(jié)合，建模和化歸的思想方法．
解題思維流程：題給文字信息→建立物理圖景→化歸為幾何問(wèn)題→還原為物理結(jié)論（構(gòu)建物理圖景（模型）是關(guān)鍵、化歸為幾何問(wèn)題是手段）．