题目
一电子在匀强磁场中,以一固定的正电荷为圆心,在圆形轨道上运动,磁场方向垂直于它的运动平面,电场力恰是磁场力的三倍,设电子电量为e,质量为m,磁感应强度为B,那么电子运动的可能角速度应当是()A. (3Be)/(m)B. (Be)/(m)C. (2Be)/(m)D. (5Be)/(m)
一电子在匀强磁场中,以一固定的正电荷为圆心,在圆形轨道上运动,磁场方向垂直于它的运动平面,电场力恰是磁场力的三倍,设电子电量为$e$,质量为$m$,磁感应强度为$B$,那么电子运动的可能角速度应当是()
A. $\frac{3Be}{m}$
B. $\frac{Be}{m}$
C. $\frac{2Be}{m}$
D. $\frac{5Be}{m}$
题目解答
答案
C. $\frac{2Be}{m}$
解析
本题考查带电粒子在复合场中的运动,解题的关键在于分析电子所受电场力和磁场力的方向关系,根据牛顿第二定律列出方程求解电子运动的角速度。
电子绕固定正电荷做圆周运动,电场力提供向心力的一部分,磁场力也提供向心力。由于电场力和磁场力方向可能相同也可能相反,所以需要分情况讨论。
- 当电场力和磁场力方向相同时:
- 电子受到的电场力$F_{电}=k\frac{e\cdot e}{r^{2}}$($k$为静电力常量,本题中不需要具体计算$k$的值),磁场力$F_{磁}=evB$,其中$v = r\omega$($\omega$为角速度)。
- 已知电场力恰是磁场力的三倍,即$F_{电}=3F_{磁}$,且向心力$F_{向}=F_{电}+F_{磁}$。
- 根据向心力公式$F_{向}=m\frac{v^{2}}{r}=mr\omega^{2}$,将$F_{电}=3F_{磁}$和$F_{磁}=evB = er\omega B$代入$F_{向}=F_{电}+F_{磁}$可得:
$mr\omega^{2}=3er\omega B + er\omega B$ - 因为$r\neq0$,方程两边同时除以$r$得:
$m\omega^{2}=4e\omega B$ - 移项化为一元二次方程的标准形式:
$m\omega^{2}-4eB\omega = 0$ - 提取公因式$\omega$得:
$\omega(m\omega - 4eB)=0$ - 解得$\omega = 0$(舍去,因为电子在做圆周运动,角速度不为$0$)或$\omega=\frac{4Be}{m}$。
- 当电场力和磁场力方向相反时:
- 同样根据向心力公式$F_{向}=F_{电}-F_{磁}$,将$F_{电}=3F_{磁}$和$F_{磁}=evB = er\omega B$代入可得:
$mr\omega^{2}=3er\omega B - er\omega B$ - 因为$r\neq0$,方程两边同时除以$r$得:
$m\omega^{2}=2e\omega B$ - 移项化为一元二次方程的标准形式:
$m\omega^{2}-2eB\omega = 0$ - 提取公因式$\omega$得:
$\omega(m\omega - 2eB)=0$ - 解得$\omega = 0$(舍去)或$\omega=\frac{2Be}{m}$。
- 同样根据向心力公式$F_{向}=F_{电}-F_{磁}$,将$F_{电}=3F_{磁}$和$F_{磁}=evB = er\omega B$代入可得: