如图所示,在xOy平面内,的区域内有一方向竖直向上的匀强电场,
的区域内有一方向竖直向下的匀强电场,两电场强度大小相等,
的区域内有一方向垂直于xOy平面向外的匀强磁场,某时刻,一带正电的粒子从坐标原点以沿x轴正方向的初速度
进入电场;之后的另一时刻,一带负电粒子以同样的初速度从坐标原点进入电场。正、负粒子从电场进入磁场时速度方向与电场和磁场边界的夹角分别为60°和30°,两粒子在磁场中分别运动半周后在某点相遇,已知两粒子的重力以及两粒子之间的相互作用都可忽略不计,两粒子带电量大小相等,求:
30.正、负粒子的质量之比;
31.两粒子相遇的位置P点的坐标;
32.两粒子先后进入电场的时间差。
3:1;
设粒子初速度为,进磁场方向与边界的夹角为
.
…①
记,则粒子在第一个电场运动的时间为2t,在第二个电场运动的时间为t则:
…②
…③
由①②③得: 所以
;
正粒子在电场运动的总时间为3t,则:第一个t的竖直位移为
第二个t的竖直位移为
由对称性,第三个t的竖直位移为
所以,结合①②得
同理
由几何关系,P点的坐标为:
先画出两个粒子相遇的轨迹图,相遇是两个粒子在转动半周后相碰的,那么进入的两点与相遇点构成一个直角三角形,先求出粒子进入磁场前的纵坐标,由几何关系就能求出相遇点P的坐标;
设两粒子在磁场中运动半径为,由几何关系
,
两粒子在磁场中运动时间均为半个周期:,
,
,
由于两粒子在电场中运动时间相同,所以进电场时间差即为磁场中相遇前的时间差,解得
由于两粒子在电场中运动时间相同,所以进入电场时间差即为在磁场中从开始到相遇的时间差,由周期公式求出两个粒子转半周的时间差,就是粒子进入电场的时间差.
由于水平方向不受力,粒子水平方向做匀速直线运动,由于竖直方向是方向相反的两块电场,则竖直方向先做匀加速直线运动后做匀减速直线运动,表示出各自的竖直末速度,再由角度的关系,求出末速度关系,竖直位移等,最后得到所求.