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高中 | 洛伦兹力题目答案及解析如下,仅供参考!
选修3-1
第三章 磁场
3.5 运动电荷在磁场中受到的力
洛伦兹力
如图,在空间直角坐标系中存在指向$z$轴负方向的匀强磁场,磁感应强度为$B$,与$z$轴平行的挡板与$x$轴交于$M(L,0,0)$,与$y$轴交于$N(0,L,0)$,挡板在空间内向四周无限延伸,一带电量为$+q$,质量为$m$的粒子从$P(0, 0, L)$以一定的初速度向$x$轴正方向进入磁场,恰好垂直击中挡板,粒子每次与挡板碰撞,垂直于挡板方向的速度反向,平行于挡板方向的速度保持不变,粒子重力忽略不计。
求粒子初速度的大小;
$\\dfrac{qBL}{m}$
"]]粒子在与$xOy$平面平行的平面内做匀速圆周运动,半径$R=L$
由$qvB=\dfrac{mv^{2}}{R}$
解得$v_{0}=\dfrac{qBL}{m}$
若在空间中施加沿$z$轴负方向的匀强电场,恰好使粒子第二次与挡板碰撞发生在$xoy$平面,求匀强电场$E$的大小,并求出粒子第二次与挡板发生碰撞的空间坐标;
$\\dfrac{32qLB^{2}}{25\\pi^{2}m}$,$\\left( \\dfrac{3\\sqrt{2}}{2}L,\\left( 1- \\dfrac{3\\sqrt{2}}{2} \\right)L,0 \\right)$;
"]]在与$z$轴垂直方向,发生第二次碰撞,经历时间为$t=\dfrac{5}{8}T$
其中$T$为粒子在磁场中匀速圆周运动的周期$T=\dfrac{2\pi m}{qB}$
在沿$z$轴方向,粒子做匀加速直线运动,由$\dfrac{1}{2}at^{2}=L$
根据牛顿第二定律$qE=ma$
联立得$E=\dfrac{32qLB^{2}}{25\pi^{2}m}$
粒子横坐标$x_{2}=3L\sin 45^\circ $
横坐标$y_{2}=L-3L\cos 45^\circ $
竖坐标$z_{2}=0$
粒子第二次与挡板发生碰撞的空间坐标为$\left( \dfrac{3\sqrt{2}}{2}L,\left( 1-\dfrac{3\sqrt{2}}{2} \right)L,0 \right)$。
在($2$)的条件下,求粒子第$n$次与挡板碰撞的坐标。
答案见解析
"]]在$x$轴方向,$n=1$时$x_{1}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}L$
$n=2$时$x_{2}=\dfrac{3\sqrt{2}}{2}L$
$\cdots\cdots$
$x_{n}=\left( \sqrt{2}n-\dfrac{\sqrt{2}}{2} \right)L$
在$y$轴方向,$n=1$时$y_{1}=\left( 1-\dfrac{\sqrt{2}}{2} \right)L$
$n=2$时$y_{2}=\left( 1-\dfrac{3\sqrt{2}}{2} \right)L$
$\cdots\cdots$
$y_{n}=\left( \dfrac{2+\sqrt{2}}{2}-\sqrt{2}n \right)L$
在$z$轴方向,粒子做匀加速直线运动,不妨设粒子在与$z$轴垂直方向每次经过八分之一个同周运动时间为$t_{0}$,则$\dfrac{1}{2}a\left( 5t_{0} \right)^{2}=L$
$n=1$时
$z_{1}=L-\dfrac{1}{2}at_{0}^{2}=\dfrac{24}{25}L$
$n=2$时
$z_{2}=L-\dfrac{1}{2}a\left( 5t_{0} \right)^{2}=0$
$n=3$时$z_{3}=L-\dfrac{1}{2}a\left( 9t_{0} \right)^{2}=-\dfrac{56}{25}L$
$\cdots\cdots$
$z_{n}=\dfrac{- 16n^{2}+24n+16}{25}L$
粒子第$n$次与挡板碰撞的坐标为
$\left( \left( \sqrt{2}n-\dfrac{\sqrt{2}}{2} \right)L,\left( \dfrac{2+\sqrt{2}}{2}-\sqrt{2}n \right)L,\dfrac{- 16n^{2}+24n+16}{25}L \right)$,$n=1, 2, 3, 4\cdots\cdots$
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