如图所示,在正交坐标系xOy的第一、四象限内分别存在两个大小相等,方向不同的匀强电场,两组平行且等间距的实线分别表示两个电场的电场线,每条电场线与x轴所夹的锐角均为60°。一质子从y轴上某点A沿着垂直于电场线的方向射入第一象限,仅在电场力的作用下第一次到达x轴上的B点时速度方向正好垂直于第四象限内的电场线,之后第二次到达x轴上的C点。求OB与BC的比值。
如图所示,在正交坐标系xOy的第一、四象限内分别存在两个大小相等,方向不同的匀强电场,两组平行且等间距的实线分别表示两个电场的电场线,每条电场线与x轴所夹的锐角均为60°。一质子从y轴上某点A沿着垂直于电场线的方向射入第一象限,仅在电场力的作用下第一次到达x轴上的B点时速度方向正好垂直于第四象限内的电场线,之后第二次到达x轴上的C点。求OB与BC的比值。
【方法一】带电粒子的运动轨迹如图所示,设质子在电场中运动的加速度为a,在A、B两点的速度分别为v0、v,经历时间为t1。作AM垂直于v0方向,BM平行于v0方向,过交点M作x轴的垂线,垂足为N,则OB=ON+NB ①
由几何关系 ON=AMsin300 ②2分
NB=MBcos300 ③2分
由题意知v与v0的夹角为60°,根据平抛运动规律
沿垂直于v0方向的位移 ④2分
沿平行于v0方向的位移 MB=v0t1 ⑤2分
在B点,沿垂直于v0方向的速度分量 ⑥2分
沿平行于v0方向的速度分量 ⑦2分
联立④~⑦解得 ⑧ 联立①②③⑧解得
⑨
设质子从B到C经历时间为t2,作BP垂直于v方向,CP平行于v方向,根据平抛运动律沿CP方向 ⑩2分
沿BP方向 ⑾2分
联立⑦⑩⑾解得 ⑿ 联立⑨⑿解得
⒀2分
【方法二】设质子在A、B点的速度分别为v0、v1,由几何关系可知,v1与v0的夹角为60°,v1与x轴夹角为30°。从A到B过程中,设电场力的大小为F,质子的质量为m,加速度为a,
沿着x轴正方向:2L1acos60°=(v1sin60°)2-(v0sin60°)2 且v0=v1cos60°
从B到C过程中,设运动时间为t,由平抛运动规律:垂直电场方向:L2sin30°=at2
沿着电场方向:L2cos30°= v1t 联立解得OB与BC的比值为L1:L2=27:64。