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(18分)

如图所示,平面直角坐标系的y轴竖直向上,x轴上的P点与Q点关于坐标原点O对称,距离为2a有一簇质量为m、带电量为+q的带电微粒,在6ec8aac122bd4f6e平面内,从P点以相同的速率斜向右上方的各个方向射出(即与x轴正方向的夹角θ6ec8aac122bd4f6e),经过某一个垂直于6ec8aac122bd4f6e平面向里、磁感应强度大小为6ec8aac122bd4f6e的有界匀强磁场区域后,最终会聚到Q点,这些微粒的运动轨迹关于y轴对称。为保证微粒的速率保持不变,需要在微粒的运动空间再施加一个匀强电场。重力加速度为g。求:

(1)匀强电场场强E的大小和方向;

(2)若微粒在磁场中运动的轨道半径为6ec8aac122bd4f6e,求与6ec8aac122bd4f6e轴正方向成30°角射出的微粒从P点运动到Q点的时间6ec8aac122bd4f6e

(3)若微粒从P点射出时的速率为v,试推出在6ec8aac122bd4f6e的区域中磁场的边界点坐标6ec8aac122bd4f6e6ec8aac122bd4f6e之间满足的关系式。

说明: 6ec8aac122bd4f6e

 

答案:
(1),方向竖直向上。 (2) (3) 【解析】(1)由题意可知,微粒所受电场力与重力平衡,即                     (2分)    解得:,方向竖直向上。   (1分) (2)根据题意画出微粒的运动轨迹如图所示,设A、C分别为微粒在磁场中运动的射入点和射出点。根据几何关系可得: A点坐标为(,),C点坐标为(,)       (2分) 微粒运动的路程为 (2分)        设微粒运动的速率为v,它做匀速圆周运动时洛     仑兹力提供向心力,即                   (2分)                (2分) 解得:    (1分) (3)如图所示,设微粒在磁场中运动的轨道半径为,在的区域内,设微粒离开磁场后的速度方向与x轴夹角为。根据几何关系可得:                    (2分)              (2分) 代入相关数据并化简得:       (2分)
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(6分)

气垫导轨工作时,空气从导轨表面的小孔喷出,在导轨表面和滑块内表面之间形成一层薄薄的空气层,使滑块不与导轨表面直接接触,故滑块运动时受到的阻力大大减小,可以忽略不计。为了探究做功与物体动能之间的关系,在气垫导轨上放置一带有遮光片的滑块,滑块的一端与轻弹簧相接,弹簧另一端固定在气垫导轨的一端,将一光电门P固定在气垫导轨底座上适当位置(如图1),使弹簧处于自然状态时,滑块上的遮光片刚好位于光电门的挡光位置,与光电门相连的光电计时器可记录遮光片通过光电门时的挡光时间。实验步骤如下:

说明: 6ec8aac122bd4f6e

①用游标卡尺测量遮光片的宽度d

②在气垫导轨上适当位置标记一点A(图中未标出,AP间距离远大于d),将滑块从A点由静止释放.由光电计时器读出滑块第一次通过光电门时遮光片的挡光时间t

③利用所测数据求出滑块第一次通过光电门时的速度v

④更换劲度系数不同而自然长度相同的弹簧重复实验步骤②③,记录弹簧劲度系数及相应的速度v,如下表所示:

弹簧劲度系数

k

2k

3k

4k

5k

6k

v (m/s)

0.71

1.00

1.22

1.41

1.58

1.73

v2  (m2/s2)

0.50

1.00

1.49

1.99

2.49

2.99

v3  (m3/s3)

0.36

1.00

1.82

2.80

3.94

5.18

(1)测量遮光片的宽度时游标卡尺读数如图2所示,读得d               m;

说明: 6ec8aac122bd4f6e

(2)用测量的物理量表示遮光片通过光电门时滑块的速度的表达式v              

(3)已知滑块从A点运动到光电门P处的过程中,弹簧对滑块做的功与弹簧的劲度系数成正比,根据表中记录的数据,可得出合力对滑块做的功W与滑块通过光电门时的速度v的关系是