Question

如圖所示，在距水平地面一定高度處以初速度v₀。水平拋出一個質量為m、電荷量為Q的帶正電的小球。當小球運動的空間范圍內不存在電場和磁場時，小球的落地點與拋出點之間有相應的一段水平距離(即射程)，已知重力加速度為g。

(1)若在此空間加上一個豎直方向的勻強電場使小球的射程增加為原來的2倍，試求此電場的電場強度；

(2)若除存在上述電場外，還存在一個與v₀方向垂直的水平方向勻強磁場，使小球拋出后恰好能做勻速直線運動。試求此勻強磁場的磁感應強度；

(3)若在空間存在上述的電場和磁場，而將帶電小球的初速度大小變為v₀/2(方向不變)，且小球并沒有落至地面，試說明小球運動過程中動能最大時的速度方向。

Answer 1

(1)當沒有加電場時，設小球在空中的運動時間為t，拋出點離地面的高度為h，射程為s。小球做平拋運動，則有：s=v₀t     h=gt²

加電場后，射程s′=2s，設下落的時間為t′，下落的加速度大小為a，因此有2s=v₀t′

h=at′²      解得a=g／4

由運動情況可判斷出，電場方向豎直向上

設所加電場的電場強度為E，根據牛頓第二定律有：

mg-EQ=mg／4        解得E=

(2)加磁場后，小球受重力、電場力、洛倫茲力三力平衡。則應有nag=EQ+Qv₀B   

解得B=  根據左手定則，磁場的方向垂直紙面向里

(3)由于帶電小球的運動速度變為v₀/2，所以重力、電場力和洛倫茲力的合力豎直向下，小球將運動至拋出點的下方。但由于洛倫茲力對小球不做功，只有重力和電場力對小球做功，小球向拋出點下方運動，重力和電場力的合力做正功，小球的動能增加。當小球運動到拋出點下方最低點時，動能最大。

小球運動到最低點時，沿豎直方向的分速度為零，所以此時的速度方向一定沿水平方向向右。