高考中物理復合場包括有重力場、電場和磁場三種場。
復合場中常常涉及到帶電粒子的運動問題,要充分考慮重力和電場力、洛倫茲力的綜合作用,分析粒子運動過程中受力的情況,確定粒子的運動軌跡,再選擇恰當的運動學規律結合牛頓第二定律或運動學規律求解。
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題目:一個質量為 m 的帶電粒子以速度 v0 垂直射入磁感應強度為 B 的勻強磁場中,并進入一個與磁場垂直的勻強電場 E 中,已知該粒子帶正電,電量為 q。求該粒子在復合場中所受的電場力和磁場力的合力方向。
【分析】
根據粒子在磁場中的運動軌跡,結合左手定則可以確定粒子所受的電場力和磁場力的合力方向。
【解答】
設粒子在磁場中做圓周運動的半徑為 R,根據洛倫茲力提供向心力可得:
$qvB = m\frac{v^{2}}{R}$
解得:R = \frac{mv}{qB}
粒子在電場中做類平拋運動,水平方向上做勻速直線運動,速度不變,豎直方向上做初速度為零的勻加速直線運動,加速度為 a = \frac{qE}{m}
根據運動學公式可得:
$y = \frac{1}{2}at^{2} = \frac{qEy}{m}t^{2}$
其中 t 為粒子在電場中運動的時間,由粒子在磁場中的運動軌跡與電場線垂直可知:
t = \frac{R}{v_{0}}
將 t 代入 y 中可得:y = \frac{qEr}{mv_{0}}
將 R 和 y 代入粒子所受的電場力和磁場力的合力方向公式 F_{合} = \sqrt{F_{電}^{2} + F_{磁}^{2}} 中可得:
F_{合} = \sqrt{q^{2}E^{2} + \frac{q^{2}B^{2}v_{0}^{2}}{v_{0}^{2}}}
由于粒子帶正電,電量為 q,因此電場力方向向上,磁場力方向向右。根據左手定則可知,粒子所受的電場力和磁場力的合力方向指向右下方。
【說明】
本題是一道復合場問題,需要綜合運用磁場和電場的性質進行分析和求解。解題的關鍵是要掌握洛倫茲力和電場力的基本性質,并能夠根據題目所給條件進行受力分析和運動分析。