Question

在地面上方某處的真空室里存在著水平方向的勻強電場，以水平向右和豎直向上為x軸、y軸正方向建立如圖所示的平面直角坐標系．一質(zhì)量為m、帶電荷量為+q的微粒從點P（

3

3

l，0）由靜止釋放后沿直線PQ運動．當(dāng)微粒到達點Q（0，-l）的瞬間，撤去電場，同時加上一個垂直于紙面向外的勻強磁場（圖中未畫出），磁感應(yīng)強度的大小B=

m

q

=

3g 2l

，該磁場有理想的下邊界，其他方向范圍無限大．已知重大加速度為g．求：
（1）勻強電場的場強E的大小；
（2）撤去電場加上磁場的瞬間，微粒所受合外力的大小和方向；
（3）欲使微粒不從磁場下邊界穿出，該磁場下邊界的y軸坐標值應(yīng)滿足什么條件？

Answer 1

分析：（1）微粒在電場中受到電場力和重力，沿PQ方向運動，可知微粒所受的合力必定沿PQ方向，可知電場力方向水平向左，作出力的合成圖，求解場強大小．
（2）微粒到達Q點的速度v可分解為水平分速度為v₁和豎直分速度為v₂．微粒在電場中豎直方向的分運動是自由落體運動，由下落高度可求出v₂，由速度的分解，求出v₁．撤去電場加上磁場的瞬間，由F=qvB分別求出兩個分速度所對應(yīng)的洛倫茲力，再合成求解微粒的合力大小和方向．
（3）根據(jù)微粒的受力情況，運用運動的分解法研究：微粒的運動可以看作水平面內(nèi)的勻速直線運動與豎直面內(nèi)的勻速圓周運動的合成，能否穿出下邊界取決于豎直面內(nèi)的勻速圓周運動，當(dāng)微粒的軌跡剛好與下邊界相切時，得到臨界的半徑，即可求出該磁場下邊界的y軸坐標值應(yīng)滿足的條件．

解答：解：（1）由于微粒沿PQ方向運動，可知微粒所受的合力沿PQ方向，可得  qE=mgcotα
由題意得α=60°
解之得  E=

3

3q

mg
（2）微粒到達Q點的速度v可分解為水平分速度為v₁和豎直分速度為v₂．
根據(jù)豎直方向上自由落體運動規(guī)律有，v₂²=2gl
則 v2=

2gl

   v1=v2tan30°=

2 3 gl

對于水平分速度v₁，其所對應(yīng)的洛倫茲力大小為f₁，方向豎直向上
則f1=qv1B=q?

2 3 gl

?

m

q

3g 2l

=mg
即與重力恰好平衡．
對于豎直分速度v₂，其所對應(yīng)的洛倫茲力大小為f₂，方向水平向左
此力為微粒所受的合力大小為  F=f2=qv2B=q?

2gl

?

m

q

3g 2l

=

3

mg，方向沿水平向左．
（3）由（2）可知，微粒的運動可以看作水平面內(nèi)的勻速直線運動與豎直面內(nèi)的勻速圓周運動的合成．
能否穿出下邊界取決于豎直面內(nèi)的勻速圓周運動，則
   qv2B=m

v 2 2

r

解得：r=

m v   2

qB

=

2 3

3

l
所以欲使微粒不從其下邊界穿出，磁場下邊界的y坐標值應(yīng)滿足y≤-(r+l)=-(

2 3

3

+1)l
答：
（1）勻強電場的場強E的大小是

3

3q

mg；
（2）撤去電場加上磁場的瞬間，微粒所受合外力的大小為

3

mg，方向水平向左；
（3）欲使微粒不從磁場下邊界穿出，該磁場下邊界的y軸坐標值應(yīng)滿足的條件是y≤-(r+l)=-(

2 3

3

+1)l．

點評：本題中微粒在電場中做直線運動，抓住質(zhì)點做直線運動的條件：合力與速度共線分析并求解場強的大小．加上磁場后，運用分解的方法研究洛倫茲力，此法不常用，要嘗試運用．