Question

（2013?遼寧一模）在如圖所示的xoy坐標(biāo)系中，y＞0的區(qū)域內(nèi)存在著沿y軸正方向、場強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場，y＜0的區(qū)域內(nèi)存在著垂直紙面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場．一帶電粒子從y軸上的P（0，h）點(diǎn)以沿x軸正方向的初速度射出，恰好能通過x軸上的D（d，0）點(diǎn)．已知帶電粒子的質(zhì)量為m，帶電量為-q．h、d、q均大于0，不計(jì)重力的影響．
（1）若粒子只在電場作用下直接到達(dá)D點(diǎn)，求粒子初速度的大小v₀；
（2）若粒子在第二次經(jīng)過x軸時(shí)到達(dá)D點(diǎn)，求粒子初速度的大小v₀；
（3）若粒子在從電場進(jìn)入磁場時(shí)到達(dá)D點(diǎn)，求粒子初速度的大小v₀．

Answer 1

分析：（1）粒子只在電場作用下直接到達(dá)D點(diǎn)，粒子做類平拋運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式結(jié)合求粒子初速度v₀；
（2）若粒子在第二次經(jīng)過x軸時(shí)到達(dá)D點(diǎn)，先經(jīng)過電場偏轉(zhuǎn)，后進(jìn)入磁場中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，畫出軌跡，由幾何知識求出圓周運(yùn)動(dòng)的半徑，由牛頓第二定律求出粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)的速度，結(jié)合類平拋運(yùn)動(dòng)，求初速度．
（3）若粒子在從電場進(jìn)入磁場時(shí)到達(dá)D點(diǎn)，粒子在電場和磁場中做周期性運(yùn)動(dòng)，畫出軌跡，由幾何關(guān)系求得半徑通項(xiàng)，再求解磁場中速度通項(xiàng)，即可求出初速度．

解答：解：（1）粒子只在電場作用下直接到達(dá)D點(diǎn)
設(shè)粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t，
粒子沿x方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則 x=v₀t ①
沿y方向做初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，則 h=

1

2

at2 ②
加速度 a=

qE

m

③
粒子只在電場作用下直接到達(dá)D點(diǎn)的條件為 x=d ④
解①②③④得v₀=d

qE 2mh

（2）粒子在第二次經(jīng)過x軸時(shí)到達(dá)D點(diǎn)，其軌跡如右圖所示．設(shè)粒子進(jìn)入磁場的速度大小為v，v與x軸的夾角為θ，軌跡半徑為R，則
  vsinθ=at        ⑤
  qvB=m

v2

R

      ⑥
粒子第二次經(jīng)過x軸時(shí)到達(dá)D點(diǎn)的條件為
x-2Rsinθ=d     ⑦
解①②③⑤⑥⑦得得v₀=d

qE 2mh

+

2E

B

   
（3）粒子在從電場進(jìn)入磁場時(shí)到達(dá)D點(diǎn)，其軌跡如右圖所示．
根據(jù)運(yùn)動(dòng)對稱性可知QN=2OM=2 x                         
粒子在從電場進(jìn)入磁場時(shí)到達(dá)D點(diǎn)的條件為
x+n（2x-2Rsinθ）=d     ⑧
其中n為非負(fù)整數(shù)．
解①②③⑤⑥⑧得v₀=

d

2n+1

qE 2mh

+

n

2n+1

?

2E

B

 
答：
（1）若粒子只在電場作用下直接到達(dá)D點(diǎn)，粒子初速度的大小v₀為d

qE 2mh

．
（2）若粒子在第二次經(jīng)過x軸時(shí)到達(dá)D點(diǎn)，粒子初速度的大小v₀為d

qE 2mh

+

2E

B

．
（3）若粒子在從電場進(jìn)入磁場時(shí)到達(dá)D點(diǎn)，粒子初速度的大小v₀為

d

2n+1

qE 2mh

+

n

2n+1

?

2E

B

．

點(diǎn)評：本題主要考查了帶電粒子在混合場中運(yùn)動(dòng)的問題，要求同學(xué)們能正確分析粒子的受力情況，再通過受力情況分析粒子的運(yùn)動(dòng)情況，熟練掌握平拋運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)的基本公式，并結(jié)合幾何關(guān)系解題．