Question

豎直放置的平行金屬板M、N相距d=0.2m，板長L=5m，板間有豎直向下的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.5T，極板按如圖所示的方式接入電路．足夠長的、間距為L=1m的光滑平行金屬導(dǎo)軌CD、EF水平放置，導(dǎo)軌間有豎直向下的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度也為B．電阻為r=1Ω的金屬棒ab垂直導(dǎo)軌放置且與導(dǎo)軌接觸良好．已知滑動變阻器的總阻值為R=4Ω，滑片P的位置位于變阻器的中點．有一個質(zhì)量為m=1.0×10^-8kg、電荷量為q=+2.0×10^-5C的帶電粒子，從兩板中間左端沿中心線水平射入場區(qū)．不計粒子重力．
（1）若金屬棒ab靜止，求粒子初速度v多大時，可以垂直打在金屬板上？
（2）當(dāng)金屬棒ab以速度v勻速運(yùn)動時，讓粒子仍以相同初速度v射入，且從兩板間沿直線穿過，求金屬棒ab運(yùn)動速度v的大小和方向．
（3）若將極板M、N間的磁場撤掉，其他條件不變，仍讓粒子以相同初速度v射入，要使粒子能打在極板上，則金屬棒ab勻速運(yùn)動的速度v至少多大？

Answer 1

【答案】分析：運(yùn)動的帶電粒子在磁場中，若金屬棒靜止，粒子受到洛倫茲力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，要使垂直打到極板上，則粒子完成圓弧運(yùn)動．若金屬棒勻速運(yùn)動，切割磁感線產(chǎn)生電動勢，當(dāng)運(yùn)動的帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力的同時還受電場力，且兩力平衡從而使粒子做勻速直線運(yùn)動．當(dāng)撤去MN間的磁場時，帶電粒子將受到電場力作用下做類平拋運(yùn)動，由平拋運(yùn)動規(guī)律可求得金屬棒ab勻速運(yùn)動的最小速度．
解答：解：（1）金屬棒ab靜止時，粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動，設(shè)軌跡半徑為r，則①
垂直打在金屬板上，則②
解得③
代入數(shù)據(jù)得    v=100 m/s 
（2）當(dāng)金屬棒ab勻速運(yùn)動時，感應(yīng)電動勢  E=BLv④
板間電壓：⑤
粒子沿直線穿過板間，則粒子受電場力、洛侖茲力平衡，做勻速直線運(yùn)動⑥
解得：⑦
代入數(shù)據(jù)得    v=50 m/s  
由左手定則知，粒子所受洛侖茲力方向垂直M板，故粒子所受電場力應(yīng)該垂直于N板，由右手定則知，ab棒應(yīng)水平向右運(yùn)動．
（3）若撤掉M，N極板間磁場，其他條件不變，當(dāng)粒子剛好能打在極板的右邊緣時，ab棒的速度最小，設(shè)為v
粒子在電場中做類平拋運(yùn)動：（1分）
解得：t=5.0×10^-3s     a=0×10³m/s²
                   又      
感應(yīng)電動勢  E=BLv
板間電壓：
聯(lián)立得：
解得：v=4 m/s
點評：金屬棒的切割磁感線，產(chǎn)生電動勢，金屬棒相當(dāng)于一個電源接入電路．當(dāng)金屬棒勻速直線運(yùn)動，則電動勢穩(wěn)定．
本題考查了僅有洛倫茲力提供向心力做勻速圓周運(yùn)動；也有洛倫茲力與電場力相等時做勻速直線運(yùn)動；也有僅有電場力讓其做類平拋運(yùn)動．