(18分)如图所示,在水平线ab的下方有一匀强电场,电场强…——2018 高考物理第 13 题答案解析

2018_天津卷

2018 天津 第 13 题 解答题 区分题
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13.(18分)如图所示,在水平线ab的下方有一匀强电场,电场强度为E,方向竖直向下,ab 的上方存在匀强磁场,磁感应强度为 B,方向垂直纸面向里。磁场中有一内、外半径分别为 $\mathrm { R } , ~ \sqrt { 3 } \mathrm { R }$ 的半圆环形区域,外圆与ab的交点分别为 M、N.一质量为m、电荷量为q的带负电粒子在电场中P点静止释放,由M 进入磁场,从N 射出。不计粒子重力。(1)求粒子从P 到M所用的时间t;

(2)若粒子从与P 同一水平线上的Q点水平射出,同样能由M 进入磁场,从N射出。粒子从 M 到N 的过程中,始终在环形区域中运动,且所用的时间最少,求粒子在 Q 时速度v<sub>0</sub>的大小。

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【考点】AK:带电粒子在匀强电场中的运动;CI:带电粒子在匀强磁场中的运动

【专题】11:计算题;22:学科综合题;31:定性思想;4C:方程法;536:带电粒子在磁场中的运动专题

【分析】(1)根据洛伦兹力提供向心力即可求出粒子到达M点的速度,然后结合动量定理即可求出粒子在电场中运动的时间;

> ②由圆周运动的条件与临界条件,求出粒子到达 M 的速度,然后由动能定理即可求出。

【解答】解:(1)设粒子第一次在磁场中运动的速度为v,粒子在磁场中受到的洛伦兹力

提供向心力,可得:

$$ q v B = { \frac { m v ^ { 2 } } { \sqrt { 3 } R } } $$

可得: $\mathbf { v } { = } \frac { \sqrt { 3 } q B R } { m }$

粒子在电场中受到的电场力为 $\mathrm { q E }$ ,设运动的时间为t,则:

qEt=mv﹣0

联立可得: $\mathrm { t } = { \frac { { \sqrt { 3 } } B R } { E } }$

(2)粒子在磁场中做匀速圆周运动的过程中,其周期: $\mathrm { T } { = } \frac { 2 \pi m } { q B }$ ,可知粒子在磁场中运动的周期与其速度、半径都无关;

根据: $\frac { t _ { 0 } } { T } = \frac { \theta } { 2 \pi }$

可知粒子在磁场中运动的时间由轨迹的圆弧对应的圆心角有关,圆心角越小,则时间越短;所以当轨迹与内圆相切时,所用的时间最短,设粒子此时的半径为r,如图:

由几何关系可得: $( r - R ) ^ { 2 } + ( \sqrt { 3 } R ) ^ { 2 } = r ^ { 2 }$

设粒子进入磁场时速度的方向与ab 的夹角为θ,则圆弧所对的圆心角为2θ,由几何关系可得:

$$ \mathrm { t a n } \theta { = } \frac { \sqrt { 3 } R } { r - R } $$

粒子从Q 点抛出后做类平抛运动,在电场方向向上的分运动与从P释放后的情况相同,所以粒子进入磁场时,沿竖直方向的分速度同样也为v,在垂直于电场方向的分速度始终

为 $\mathbf { v } _ { 0 } ,$ 则:

$$ \mathrm { t a n } \theta { = } \frac { v } { v _ { 0 } } $$

联立可得: $\mathrm { v } _ { 0 } { = } \frac { q B R } { m }$

答:(1)粒子从P 到M所用的时间是 ${ \frac { { \sqrt { 3 } } B R } { E } } ;$

(2)所用的时间最少时,粒子在Q时速度 $\mathbf { v } _ { 0 }$ 的大小是 $\frac { q B R } { m }$

【点评】本题考查带电粒子在电场、磁场中两运动模型:匀速圆周运动与类平抛运动,及相关的综合分析能力,以及空间想像的能力,应用数学知识解决物理问题的能力等,其中正确判断出临界条件是解答第二问的关键。

✅ 来源:2018年 · 天津 · 2018_天津卷 · 第 13 题 · 本题已通过全部自动发布校验
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