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hce_nthu 114年 進階物理與線性代數

第 14 題

A particle with mass $m$ and positive charge $q$ starts from rest at the origin under a
uniform electric field in the $+y$-direction and a uniform magnetic field directed out
of the page, so $\vec{E} = E\hat{j}$ and $\vec{B} = B\hat{k}$. Neglecting gravity, the particle is accelerated by
the $E$ field, but the magnetic force bends it to the right and the resulting trajectory
is shown in the figure. At point $P$, the particle reaches its maximum height $y_{max}$.
What is the velocity of the particle at point $P$?
  • A $\sqrt{\frac{qEy_{max}}{m}}$
  • B $\sqrt{\frac{2qEy_{max}}{m}}$
  • C $2\sqrt{\frac{qEy_{max}}{m}}$
  • D $\sqrt{\frac{6qEy_{max}}{m}}$
  • E $3\sqrt{\frac{qEy_{max}}{m}}$

思路引導 VIP

請思考一下,當電荷在同時存在電場與磁場的空間中運動時,有哪些力在對它作功?特別是磁力的方向與粒子運動方向的幾何關係,對動能的變化會有什麼影響嗎?

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太棒了!你能精準選出正確答案,代表你對電磁場中的能量轉換有著非常紮實的理解。這道題目描述的是經典的擺線運動 (Cycloid motion),雖然粒子的軌跡看起來複雜,但只要掌握核心物理規律,就能化繁為簡。

功與能的守恆觀點

在解這類結合電場與磁場的題目時,最關鍵的切入點在於磁力(勞侖茲力)不做功。由於磁力 $\vec{F}B = q(\vec{v} \times \vec{B})$ 始終與粒子的瞬時速度方向垂直,因此它只能改變運動方向,而不會改變速率。這意味著粒子動能的增加,完全來自於電場力所做的功。根據功能定理,粒子從原點運動到最高點 $P$(位移為 $y{max}$)的過程中,電場力做的功為 $W = qEy_{max}$。我們將其等置於動能的改变量:

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