综合题19.0分
物理

如图所示的平行板器件中,存在相互垂直的匀强磁场和匀强电场,磁场的磁感应强度=0.20T,方向垂直纸面向里,电场强度=1.0×105V/m,PQ为板间中线。紧靠平行板右侧边缘坐标系的第一象限内,有一边界AO、与轴的夹角∠=450,该边界线的上方有垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度=0.25T,边界线的下方有竖直向上的匀强电场,电场强度=5.0×105V/m。一束带电荷量=8.0×10-19C、质量=8.0×10-26Kg的正离子从P点射入平行板间,沿中线PQ做直线运动,穿出平行板后从轴上坐标为(0,0.4 m)的Q点垂直轴射入磁场区,多次穿越边界线OA。离子重力不计,求:

18.离子运动的速度

19.离子从进入磁场到第二次穿越边界线 OA所需的时间

20.离子第四次穿越边界线的位置坐标

第1小题正确答案及相关解析

正确答案

v=5×105 m/s

解析

设离子的速度大小为v,由于沿中线PQ做直线运动,则有:qE1=qvB1

代入数据解得:v=5×105 m/s

考查方向

带电粒子在混合场中的运动  

解题思路

带电离子沿中线PQ做直线运动,说明电场力与洛伦兹力平衡,根据平衡条件求解.

易错点

根据物体做直线运动的条件,对带电离子受力分析列平衡方程.

第2小题正确答案及相关解析

正确答案

8.3×10-7s 

解析

离子进入磁场,做匀速圆周运动,由牛顿第二定律有:,解得:r=0.2 m,

作出离子的运动轨迹,交OA边界于N,如图所示:

由图可知OQ=2r,若磁场无边界,一定通过O点,则圆弧QN的圆周角为45°,

则轨迹圆弧的圆心角为θ=90°,过N点做圆弧切线,方向竖直向下,

离子垂直电场线进入电场,做匀减速运动,

离子在磁场中运动为:

而离子在电场中来回运动时间为:

所以离子从进入磁场到第二次穿越边界线OA所需的时间为:

t=t1+t2=(2π+2)×10-7s=8.3×10-7s 

考查方向

带电粒子在匀强磁场中的运动; 牛顿第二定律;匀变速直线运动的公式

解题思路

离子在洛伦兹力作用下,做匀速圆周运动,由牛顿第二定律可求出半径;离子在电场中做匀减速运动,根据运动学公式可求出发生位移,从而确定离子的运动时间,从而即可求解;

易错点

关键作出离子运动轨迹示意图,由几何关系求出半径及轨迹对应用的圆心角.

第3小题正确答案及相关解析

正确答案

坐标为(0.5m,0.5m)

解析

当离子再次进入磁场后,根据左手定则,可知洛伦兹力水平向右,导致离子向右做匀速圆周运动,恰好完成周期,当离子再次进入电场后,做类平抛运动,由题意可知,类平抛运动沿初速度的方向位移与沿加速度的方向的位移相等,根据运动学公式,则有:,代入数据解得:t3=2×10-7s,因此离子沿着初速度的方向的位移为:x=vt3=0.1m,所以离子第四次穿越边界线的x轴的位移为:0.2m+0.2m+0.1m=0.5m,则离子第四次穿越边界线的位置的坐标为(0.5m,0.5m)

考查方向

带电粒子在匀强电场中的运动;带电粒子在匀强磁场中的运动;牛顿第二定律;左手定则

解题思路

根据左手定则,可确定离子偏转方向,由几何特性,可知离子再次进入电场后做类平抛运动,从而根据平抛运动的规律,运用运动的合成与分解,进行解答.

易错点

关键画出准确的运动轨迹图,利用运动的分解思想研究运动过程,根据牛顿第二定律与运动学公式解答.