Question

如圖所示，Oxyz為空間直角坐標(biāo)系，其中Oy軸正方向豎直向上。在整個空間中存在豎直向下的勻強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B，現(xiàn)有一質(zhì)量為m、電荷量為q（q>0）的帶電小球從坐標(biāo)原點0以速度v。沿Ox軸正方向射出，重力加速度為g，空氣阻力可忽略不計。
（1）若在整個空間再加一勻強電場，小球從坐標(biāo)原點O射出恰好做勻速圓周運動，求所加電場的場強大小，以及小球做勻速圓周運動第一次通過z軸的z坐標(biāo)；
（2）若改變第（1）問中所加電場的大小和方向，小球從坐標(biāo)原點O射出恰好沿Ox 軸做勻速直線運動，求此時勻強電場場強的大小；
（3）若保持第（2）問所加勻強電場不變而撤去原有的磁場，小球從坐標(biāo)原點O以速度v₀。沿Ox軸正方向射出后，將通過A點，已知A點的x軸坐標(biāo)數(shù)值為x_A，求小球經(jīng)過A點時電場力做功的功率。

Answer 1

解：（1）設(shè)所加電場場強大小為E₁，
由于帶電小球從坐標(biāo)原點O射出在電場和磁場共存的區(qū)域做勻速圓周運動，
所以帶電小球受到的電場力必定與重力平衡，有qE₁=mg，解得
設(shè)帶電小球做勻速圓周運動的半徑為R，
根據(jù)牛頓第二定律和向心力公式，解得
帶電小球第一次通過z軸的z坐標(biāo)。 
（2）設(shè)所加電場場強大小為E₂，帶電小球做勻速直線運動，它所受重力mg、洛倫茲力qv_oB以及電場力qE₂三力合力為零。
因洛倫茲力沿z軸的負方向，重力沿y軸的負方向，所以電場力
解得。
（3）當(dāng)撤去磁場后，帶電小球只受電場力和重力作用，這兩個力的合力大小為qv。
B，方向指向0z正方向，所以小球在xOz平面做勻變速曲線運動，帶電小球沿Ox軸正方向以v。
做勻速直線運動，小球從坐標(biāo)原點O射出，運動到A點所用時間
帶電小球沿0z軸正方向做初速為零的勻加速直線運動，其加速度大小
帶電小球到A點時沿0z正方向的分速度大小為v_z=a_zt
因重力在這個過程中不做功，小球經(jīng)過A點時，電場力做功的功率等于合外力在此時的瞬時功率，
解得。