Question

在水平地面上方的足夠大的真空室內(nèi)存在著勻強電場和勻強磁場共存的區(qū)域，且電場與磁場的方向始終平行，在距離水平地面的某一高度處，有一個帶電量為q、質(zhì)量為m的帶負(fù)電的質(zhì)點，以垂直于電場方向的水平初速度v₀進(jìn)入該真空室內(nèi)，取重力加速度為g。求：
（1）若要使帶電質(zhì)點進(jìn)入真空室后做半徑為R的勻速圓周運動，求磁感應(yīng)強度B₀的大小及所有可能的方向；
（2）當(dāng)磁感應(yīng)強度的大小變?yōu)锽時，為保證帶電質(zhì)點進(jìn)入真空室后做勻速直線運動，求此時電場強度E的大小和方向應(yīng)滿足的條件；
（3）若帶電質(zhì)點在滿足第（2）問條件下運動到空中某一位置M點時立即撤去磁場，此后運動到空中另一位置N點時的速度大小為v，求M、N兩點間的豎直高度H及經(jīng)過N點時重力做功的功率。

Answer 1

解：（1）由于帶電質(zhì)點在勻強電場E₀和勻強磁場B₀共存的區(qū)域做勻速圓周運動，所以受到的電場力必定與重力平衡，即qE₀=mg
根據(jù)牛頓第二定律和向心力公式
解得，磁感應(yīng)強度B₀為豎直向上或豎直向下
（2）①當(dāng)帶電粒子垂直紙面向外運動時，（正對紙面看）如圖甲，此時磁場B和電場E方向相同，如圖甲所示

由于帶電質(zhì)點做勻速直線運動，由平衡條件和幾何關(guān)系可知
解得
圖中的θ角為
即電場E的方向為沿與重力方向夾角且斜向下的一切方向，或，且斜向下方的一切方向（豎直方向為軸旋轉(zhuǎn)一周，B和E存在的所有方向可圍成圓錐面）
②當(dāng)粒子速度方向垂直紙面向里（正對紙面看）如圖乙，只需要磁場反向（電場磁場方向相反）即可。大小和方向結(jié)果不變（豎直方向為軸旋轉(zhuǎn)一周，B和E存在的所有方向可圍成圓錐面）

（3）當(dāng)撤去磁場后，帶電質(zhì)點只受電場力和重力作用，這兩個力的合力大小為qv₀B，方向既垂直初速度v₀的方向也垂直電場E的方向
設(shè)空中M、N兩點間的豎直高度為H，因電場力在這個過程中不做功，則由機械能守恒定律得
mv²=mgH+mv₀²，解得
因帶電質(zhì)點做類平拋運動，由速度的分解可求得帶電質(zhì)點到達(dá)N點時沿合力方向的分速度大小為v_N=
又因電場力在這個過程中不做功，帶電質(zhì)點到達(dá)N點時，重力做功的功率等于合外力在此時的瞬時功率，解得PN=qv₀Bv_N=