Question

【題目】如圖，光滑水平桌面上有一個矩形區域abcd，bc長度為2L，cd長度為1.5L，e、f分別為ad、bc的中點。efcd區域存在豎直向下的勻強磁場，磁感應強度為B；質量為m、電荷量為+q的絕緣小球A靜止在磁場中f點。abfe區域存在沿bf方向的勻強電場，電場強度為；質量為km的不帶電絕緣小球P，以大小為的初速度沿bf方向運動。P與A發生彈性正碰，A的電量保持不變，P、A均可視為質點。

（1）求碰撞后A球的速度大小；

（2）若A從ed邊離開磁場，求k的最大值；

（3）若A從ed邊中點離開磁場，求k的可能值和A在磁場中運動的最長時間。

Answer 1

【答案】（1）（2）1（3）或；

【解析】

（1）設P、A碰后的速度分別為vP和vA，P碰前的速度為

由動量守恒定律：

由機械能守恒定律：

解得：

（2）設A在磁場中運動軌跡半徑為R， 由牛頓第二定律得：

解得：

由公式可得R越大，k值越大

如圖1，當A的軌跡與cd相切時，R為最大值，

求得k的最大值為

（3）令z點為ed邊的中點，分類討論如下：

（I）A球在磁場中偏轉一次從z點就離開磁場，如圖2有

解得：

由可得：

（II）由圖可知A球能從z點離開磁場要滿足，則A球在磁場中還可能經歷一次半圓運動后回到電場，再被電場加速后又進入磁場，最終從z點離開。

如圖3和如圖4，由幾何關系有：

解得：或

由可得：或

球A在電場中克服電場力做功的最大值為

當時，，由于

當時，，由于

綜合（I）、（II）可得A球能從z點離開的k的可能值為：或

A球在磁場中運動周期為

當時，如圖4，A球在磁場中運動的最長時間

即