解题思路:(1)小球做匀速圆周运动,故电场力与重力平衡,根据平衡条件列式求解;
(2)洛伦兹力提供向心力,故半径越大,速度越大,当小球不与挡板相碰直接飞入框中,其运动半径最大,根据几何关系求解出半径,然后求解最大速度;
(3)要求最小速度,需求最小半径,画出轨迹,根据几何关系得到半径的可能值,然后求解速度.
(1)小球做匀速圆周运动,则
qE=mg
故E=
mg
q=10N/C
电场方向竖直向下
(2)若小球速率最大,则运动半径最大,
如轨迹①所示
R21=s2+(h−R1)2
可得:R1=
5
3m
由qv1B=m
v21
R1
⇒v1=
qBR1
m=[5/3m/s
(3)因为速度方向与半径垂直,圆心必在挡板所在的竖直线上.
且R≥s=1m
小球与挡板碰撞n次后落入筐中,则有
2nR<h
⇒n<1.5,故n可取0或1才能
保证小球落入筐中
①当n=0时,即为(2)问中的解
②当n=1时,有
(3R-h)2+s2=R2
可得R2=1m,运动轨迹如由图中②所示
或者R3=
5
4m,运动轨迹如由图中③所示
以轨迹③运动,小球所花时间最长
则有
T=
2πm
qB=2π
sinθ=
R2
R3=
4
5]
故θ=53°,轨迹③运动对应的圆心角α=360°+(180°-53°)=487°
运动最长时间为t=
α
360°T=
974
360πs≈8.5s
答:(1)电场强度E=10N/C,电场方向竖直向下;
(2)小球运动的可能最大速率为
5
3m/s;
(3)小球运动的可能最长时间为8.5s.
点评:
本题考点: 带电粒子在匀强磁场中的运动;带电粒子在匀强电场中的运动.
考点点评: 本题关键明确小球的运动规律,找到向心力来源,画出轨迹,然后根据几何关系求解半径,再联立方程组求解.