高中 | 洛伦兹力 题目答案及解析

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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;

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$\\dfrac{qBL}{m}$

"]]

粒子在与$xOy$平面平行的平面内做匀速圆周运动,半径$R=L$

$qvB=\dfrac{mv^{2}}{R}$

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;

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$\\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。

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答案见解析

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$x$轴方向,$n=1$$x_{1}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}L$

$n=2$$x_{2}=\dfrac{3\sqrt{2}}{2}L$

$\cdots\cdots$

$x_{n}=\left( \sqrt{2}n-\dfrac{\sqrt{2}}{2} \right)L$

$y$轴方向,$n=1$$y_{1}=\left( 1-\dfrac{\sqrt{2}}{2} \right)L$

$n=2$$y_{2}=\left( 1-\dfrac{3\sqrt{2}}{2} \right)L$

$\cdots\cdots$

$y_{n}=\left( \dfrac{2+\sqrt{2}}{2}-\sqrt{2}n \right)L$

$z$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$\dfrac{1}{2}a\left( 5t_{0} \right)^{2}=L$

$n=1$

$z_{1}=L-\dfrac{1}{2}at_{0}^{2}=\dfrac{24}{25}L$

$n=2$

$z_{2}=L-\dfrac{1}{2}a\left( 5t_{0} \right)^{2}=0$

$n=3$$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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