解题思路:(1)带电粒子在t=0时刻进入,电场强度为零,粒子将以v0的速度垂直磁场左边界射入磁场中.由牛顿定律和几何关系求解.
(2)粒子进入磁场后,由洛伦兹力提供向心力做匀速圆周运动,由牛顿定律和几何关系证明射人点与出射点间的距离恒定.
(3)当粒子从极板边缘离开电场时,侧移量最大,电场力做功最多,粒子的速度最大.根据侧移量,由牛顿定律和运动学公式求出此时电压,由动能定理求出最大速度.
(1)带电粒子在t=0时刻进入,由题可知,粒子通过电场区域时间极短,因此粒子从进入电场到离开电场,板间电场强度始终为零,则粒子将以v0的速度垂直磁场左边界射入磁场中.
由牛顿第二定律,得
qv0B=m
v20
r
得r=
mv0
qB=0.2m
故粒子在磁场中运动的射人点到出射点间的距离S=2r=0.4m.
(2)设某时刻进入磁场的粒子速度为v,方向与水平方向成θ角,如右图
则v=
v0
cosθ
粒子在磁场中运动时的轨迹半径为
r′=[mv/qB]=
mv0
qBcosθ
粒子射人点到出射点间的距离S′=2r′cosθ=2
mv0
qB
由(1)知S′=2r=0.4m
故任意时刻射人电场的粒子,在磁场中运动的射人点与出射点间的距离都相等.
(3)设粒子进入电场时刻,板间的电压为U,且粒子可以射出电场进入磁场.则
y=[qU/2mdt2,t=
L
v0]
当侧移量y=[d/2]时,电场力对粒子做功最多,
得到U=
md2
v20
qL2
代入解得U=25V
由动能定理得
q[U/2]=[1/2m
v2m]-[1/2m
v20]
解得 vm=
5
2×105m/s
答:(1)粒子在t=0时刻射入,在磁场中运动的射人点到出射点间的距离为0.4m;
(2)略
(3)粒子射出电场时的最大速度为
点评:
本题考点: 带电粒子在匀强磁场中的运动;牛顿第二定律;向心力;带电粒子在匀强电场中的运动.
考点点评: 本题考查带电在电磁场中的运动,综合考查了牛顿定律、动能定理、受力分析等方面的知识和规律.对考生的分析综合能力、应用数学知识的能力要求较高.