Question

如圖所示，豎直平面坐標系xOy的第一象限，有垂直：xOy面向外的水平勻強磁場和豎直向上的勻強電場，大小分別為B和E第四象限有垂直xOy為面向里的水平勻強電場，大小E'=2E 第三象限內(nèi)有一絕緣光滑豎直放置的半徑為R的半圓軌道，軌道最髙點與坐標原點O相切，最低點與絕緣光滑水平面相切于N．一質(zhì)量為m的帶電小球從y軸上（y＞0）的P點沿工軸正方向進入第一象限后做圓周運動，恰好通過坐標原點O，且水平切入半圓軌道并沿軌道內(nèi)側(cè)運動，過N點水平進入第四象限，并在電場中運動•（已知重力加速度為g）

（1）判斷小球的帶電性質(zhì)并求出其所帶電荷量．

（2）P點距坐標原點O至少多高？

（3）若該小球以滿足（2）中OP最小值的位置和對應速度進入第一象限，通過N點開始計時，經(jīng)時間t=，小球距N點的距離s為多遠？

Answer 1

考點：帶電粒子在勻強磁場中的運動；牛頓第二定律；向心力．

專題：帶電粒子在磁場中的運動專題．

分析：帶電小球進入正交的電場與磁場后，做勻速圓周運動，則重力與電場力平衡，僅由洛倫茲力提供向心力，所以由電場強度方向可確定小球的電性．小球恰能通過軌道最高點，則由重力提供向心力，從而求出最小距離．小球從O到N點僅有重力做功，其機械能守恒．而進入電場后，在x方向小球做勻速直線運動，而y方向做初速度為零的勻加速直線運動．所以由運動與力關系可求出到N點的距離．

解答：  解：（1）小球進入第一象限正交的電場和磁場后，在垂直磁場的平面內(nèi)做圓周運動，說明重力與電場力平衡，qE=mg  ①

 得q=   ②

 小球帶正電．

 （2）小球在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，設勻速圓周運動的速度為v、軌道半徑為r．

 有：qvB=m  ③

 小球恰能通過半圓軌道的最高點并沿軌道運動，有：mg=m  ④

 由③④得：r=⑤

 PO的最小距離為：y=2r=2=⑥

 （3）小球由O運動到N的過程中機械能守恒：mg•2R+⑦

 由④⑦得：v_N=⑧

 根據(jù)運動的獨立性可知，小球從N點進入電場區(qū)域后，在x軸方向以速度v_N做勻速直線運動，沿電場方向做初速度為零的勻加速直線運動，則沿x軸方向有：x=v_Nt⑨

 沿電場方向有：y=⑩

 a=

 t時刻小球距N點：s==2R；

答：（1）小球的帶正電，所帶電荷量．

（2）P點距坐標原點O至少；

（3），小球距N點的距離s為2R．

點評：除考查小球在磁場中做勻速圓周運動的模型外，還涉及了小球在電場中做類平拋運動的模型．同時小球在僅受重力下能通過最高點的條件．