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题目:高二物理例题——动量守恒定律的应用
题目描述:
假设有一个边长为L的正方形区域,其中三个边都被固定,只有第四边可以移动。正方形区域内有垂直于该区域的匀强磁场,磁感应强度为B。现在有一个质量为m,带电量为q的小物体,从正方形区域的右下角沿边界无初速度释放。要求分析小物体在磁场中的运动情况,并列出动量守恒定律的表达式。
解题思路:
1. 根据小物体在磁场中的运动轨迹,判断其受力情况和运动性质。
2. 利用动量守恒定律,列出表达式。
解题过程:
小物体在磁场中的运动轨迹为圆弧,受到的力只有磁场对它的洛伦兹力。根据牛顿第二定律,小物体的加速度为 a = qBL/mcosθ,其中θ为小物体速度与磁场的夹角。小物体做匀速圆周运动,运动周期为T = 2πm/qB。
当小物体从右下角开始运动时,初始速度方向与右边的固定边垂直,因此初始动量方向向右。在整个运动过程中,小物体的动量保持不变。根据动量守恒定律,有:
P_初 = mv_0 (1)
P_末 = mv_t (2)
其中,P_初和P_末分别为小物体开始和结束时的动量,v_0和v_t分别为小物体的初始和最终速度。由于小物体在整个运动过程中只受到洛伦兹力的作用,因此动量守恒。
解得:小物体最终将以与左下角固定边平行的方向飞出,且其动量为 P = mv = m(2πm/qB)² = 2mπQB²/c²。
总结:
通过这个例题,学生们可以加深对动量守恒定律的理解,并学会如何应用动量守恒定律来解决实际问题。同时,通过分析小物体的运动轨迹和受力情况,还可以锻炼学生的物理思维和分析能力。