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高中 | 功率的概念与计算题目答案及解析如下,仅供参考!
必修2
第七章 机械能守恒定律
7.3 功率
功率的概念与计算
如图所示,在水平面内存在垂直平面向里、大小为$B$的匀强磁场和与之正交的匀强电场$E$。一质量为$m$、带电荷量为$q$($q$ $\gt $ $0$)的粒子在水平面内做匀速率圆周运动,电场跟随带电粒子一起以角速度$\omega$绕圆心转动,电场方向与速度方向夹角$\theta$保持不变。带粒子在中性气体中运动时受到气体的粘滞阻力与速度大小成正比,方向与速度方向相反,即$F_{f}=$−$kv$。不考虑带电粒子运动时的电磁辐射,不计重力。
求$E=0$,$k=$ $0$时,带电粒子运动的角速度$\omega_{0}$;
$\\omega_{0}= \\dfrac{qB}{m}$;
"]]题意知$E=0$,$k=$ $0$时,带电粒子只受洛伦兹力作用,则有$qvB=m\dfrac{v^{2}}{r}$
因为$v=\dfrac{2\pi r}{T}$
联立整理得带电粒子运动的周期$T=\dfrac{2\pi m}{qB}$
带电粒子运动的角速度$\omega_{0}=\dfrac{2\pi}{T}=\dfrac{qB}{m}$;
求带电粒子运动速度的大小$v$和$\tan\theta$(用$m$、$\omega$、$k$、$q$、$B$和$E$表示);
$v= \\dfrac{qE\\cos\\theta}{k}$,$\\tan\\theta= \\dfrac{m\\omega-qB}{k}$;
"]]带电粒子在水平面内做匀速率圆周运动,则粒子在运动方向上所受合力为零,则有$qE\cos \theta=kv$
解得带电粒子运动速度的大小$v=\dfrac{qE\cos\theta}{k}$
洛伦兹力与电场力的分力的合力提供向心力$qvB+qE\sin\theta=m\dfrac{v^{2}}{r}$
又$\omega=\dfrac{v}{r}$
联立解得$\tan\theta=\dfrac{m\omega-qB}{k}$;
求电场力的功率及功率的最大值;
$\\dfrac{q^{2}E^{2}\\cos^{2}\\theta}{k}$,$\\dfrac{q^{2}E^{2}}{k}$;
"]]因为功率$P=Fv\cos \theta$
故电场力的功率$P_{电}=qEv\cos\theta=\dfrac{q^{2}E^{2}\cos^{2}\theta}{k}$
当$\theta=0^\circ$时,功率的最大值$P_{\rm m}=\dfrac{q^{2}E^{2}}{k}$;
若电场力的功率减小为最大值的一半,求速度。
$\\dfrac{qE}{2k\\cos\\theta}$。
"]]若电场力的功率减小为最大值的一半,则$P_{电1}=\dfrac{1}{2}P_{\rm{m}}=\dfrac{q^{2}E^{2}}{2k}=Eqv\cos\theta$
解得$v=\dfrac{qE}{2k\cos\theta}$。
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