24.如图所示,空间区域I、II有匀强电场和匀强磁场,MN、PQ为理想边界,I区域高度为d,II区域的高度足够大,匀强电场方向竖直向上;I、II区域的磁感应强度大小均为B,方向分别垂直纸面向里和向外。一个质量为m、带电荷量为q的小球从磁场上方的O点由静止开始下落,进入场区后,恰能做匀速圆周运动。已知重力加速度为g。
(1)试判断小球的电性并求出电场强度E的大小;
(2)若带电小球运动一定时间后恰能回到O点,求它释放时距MN的高度h;
(3)试讨论在h取不同值时,带电小球第一次穿出I区域的过程中,电场力所做的功。
见解析
(1)带电小球进入复合场后,恰能做匀速圆周运动,合力为洛伦兹力,重力与电场力平衡,重力竖直向下,电场力竖直向上,即小球带正电
由qE=mg
解得
(2)带电小球在进入磁场前做自由落体运动,据机械能守恒定律得
mgh=mv2
带电小球在磁场中作匀速圆周运动,设半径为R,据牛顿第二定律得
qvB=m
由于带电小球在Ⅰ、Ⅱ两个区域运动过程中q、v、B、m的大小不变,故三段圆周运动的半径相同,以三个圆心为顶点的三角形为等边三角形,边长为2R,内角为60º,如图a所示
由几何关系知R=
解得h=
(3)当带电小球在Ⅰ区域作圆周运动的圆弧与PQ相切时,设小球释放时距MN的高度为h0,运动轨迹如图b所示
半径R=d
联立解得h0=
讨论:
①当h≤h0时,带电小球进入磁场Ⅰ区域的速度较小,半径较小,不能进入Ⅱ区域,由磁场上边界MN第一次穿出磁场Ⅰ区域,此过程电场力做功W=qEs=0
②当h>h0时,带电小球进入磁场Ⅰ区域后由下边界PQ第一次穿出磁场Ⅰ区域进入Ⅱ区域,此过程电场力做功W=-qEd
解得W=-mgd