水平放置的平行金屬板,M、N之間存在豎直向上的勻強電場和垂直紙面的交變磁場(如圖a所示,垂直紙面向里為正),磁感應強度Bo=50T,已知兩板間距離d=0.3m,電場強度E=50V/m,M板中央有一小孔P,在P正上方h=5cm處的O點,一帶電油滴自由下落,穿過小孔后進入兩板間,若油滴在t=0時刻進入兩板間,最后恰好從N板邊緣水平飛出,已知油滴的質量m=10-4kg,帶電量q=+2×10-5C。(不計空氣阻力,油滴可視為質點,重力加速度g=10m/s2,取π=3)
求N板的長度L和交變磁場的變化周期T。
解析:通過計算可知,油滴進入板間的速度大小為1m/s,對油滴在板間受力分析,發現油滴所受的重力和電場力等大反向,所以油滴在板間做勻速圓周運動,做圓周運動的半徑r=0.1m。
根據題意,做出油滴運動軌跡,如下,其中θ在0到60度之間。
上圖畫出的是2個2rcosθ,也可以是3個、n個,所以,根據題意有:
2nrcosθ+r=d(n=1、2、3、4………)
帶入數據得:cosθ=1/n
(1)n=1時,cosθ=1,θ=0,軌跡為3個四分之一圓弧。
(2)n=2時,cosθ=1/2,θ=60,軌跡為4個150度圓弧加上一個四分之一圓弧。
當n=3時,cosθ=1/3,θ>60,不符合題意。
當n>3時,θ>60,不符合題意。
綜合以上,當n=1、2時,滿足題意。根據這兩種情況,帶入有關數據即可得出答案。
答案:
當n=1時,l=0.6m,T=0.3s
當n=2時,,T=0.5s