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文檔簡介
高中物理模型盤點(diǎn)(八)等效場磁偏轉(zhuǎn)模型
目錄
物理模型盤點(diǎn)一一等效場模型........................................................................1
物理模型盤點(diǎn)一一磁偏轉(zhuǎn)模型........................................................................4
粒子源問題.....................................................................................7
(一)動態(tài)放縮法.............................................................................7
(二)定圓旋轉(zhuǎn)法.............................................................................8
(三)平移圓法...............................................................................8
在磁場中運(yùn)動的時間、長度極值.................................................................11
物理模型盤點(diǎn)一一等效場模型
[模型概述]
復(fù)合場是高中物理中的熱點(diǎn)問題,常見的有重力場與電場、重力場與磁場、重力場與電磁場等等,對復(fù)合
場問題的處理過程其實就是一種物理思維方法
[模型要點(diǎn)]
物體僅在重力場中運(yùn)動是最簡單,也是學(xué)生最為熟悉的運(yùn)動類型,但是物體在復(fù)合場中的運(yùn)動又是我們在
綜合性試題中經(jīng)常遇到的問題,如果我們能化“復(fù)合場”為“重力場”,不僅能起到“柳暗花明”的效果,同時也
是一種思想的體現(xiàn)。如何實現(xiàn)這一思想方法呢?
如物體在恒力場中,我們可以先求出合力F,在根據(jù)算求出等效場的加速度。將物體的運(yùn)動轉(zhuǎn)化為落
體、拋體或圓周運(yùn)動等,然后根據(jù)物體的運(yùn)動情景采用對應(yīng)的規(guī)律
典例是如圖所示,一條長為L的細(xì)線上端固定,下端拴一個質(zhì)量為m的帶電小球,將它置于一方向水平向
右,場強(qiáng)為正的勻強(qiáng)電場中,已知當(dāng)細(xì)線離開豎直位置偏角a時,小球處于平衡狀態(tài)。
(1)若使細(xì)線的偏角由a增大到°,然后將小球由靜止釋放。則。應(yīng)為多大,才/弋?
能使細(xì)線到達(dá)豎直位置時小球的速度剛好為零??
-:~\*
(2)若n角很小,那么(1)問中帶電小球由靜止釋放在到達(dá)豎直位置需多少時間?1k
方法:帶電小球在空間同時受到重力和電場力的作用,這兩個力都是恒力,將兩個力
合成,并稱合力為“等效重力”?!暗刃е亓Α钡拇笮椋篏,="mg)2+⑸產(chǎn)=篝,&、?.、.
RA
等效重力加速度為:g'=焉,方向與豎直方向成a角,如圖所示。:[不防
呻一一mg
這樣一個“等效重力場,,可代替原來的重力場和靜電場,類比重力場中的規(guī)律即可
思考:若將小球向左上方提起,使擺線呈水平狀態(tài),然后由靜止釋放,則小球下擺過程中在哪一點(diǎn)的速率
最大?最大速率為多大?它擺向右側(cè)時最大偏角為多大?
點(diǎn)評:由于引入了“等效重力場”的概念,就把重力場和電場兩個場相復(fù)合的問題簡化為只有一個場的問題。
從而將重力場中的相關(guān)規(guī)律有效地遷移過來。值得指出的是,由于重力場和電場都是勻強(qiáng)場,即電荷在空
間各處受到的重力及電場力都是恒力,所以,上述等效是允許且具有意義的,如果電場不是勻強(qiáng)電場或換
成勻強(qiáng)磁場,則不能進(jìn)行如上的等效變換,帶電粒子在電場中的運(yùn)動問題,實質(zhì)是力學(xué)問題,其解題的一
般步驟仍然為:確定研究對象;進(jìn)行受力分析(注意重力是否能忽略);根據(jù)粒子的運(yùn)動情況,運(yùn)用力與運(yùn)
動關(guān)系、功能關(guān)系、能量守恒關(guān)系列出方程式求解。
[誤區(qū)點(diǎn)撥]
在應(yīng)用公式時要注意g與y的區(qū)別;對于豎直面內(nèi)的圓周運(yùn)動模型,則要從受力情形出發(fā),分清“地理最高
點(diǎn),,和“物理最高點(diǎn),,,弄清有幾個場力;豎直面內(nèi)若作勻速圓周運(yùn)動,則必須根據(jù)作勻速圓周運(yùn)動的條件,
找出隱含條件;同時還要注意線軌類問題的約束條件
典例是如圖所示,質(zhì)量為m、帶電荷量為+q的微粒在。點(diǎn)以初速度%與水平方向成。角射出,微粒在運(yùn)動
中所受阻力的大小恒為人
⑴如果在某一方向上加一定大小的勻強(qiáng)電場后,能保證微粒將沿%方向做直線運(yùn)動,試求所加勻強(qiáng)電場的
最小值;
(2)若加上大小一定,方向水平向左的勻強(qiáng)電場,仍能保證微粒沿%方向做直線運(yùn)動,并經(jīng)過一段時間后又
返回。點(diǎn),求微粒回到。點(diǎn)時的速率。
■【答—案—0】⑴/——cos0;(2)mg-fsinO
qmg+fsin0°
【詳解】⑴對微粒進(jìn)行受力分析如圖一所示:
要保證微粒仍沿V0方向作直線運(yùn)動,必須使微粒在垂直V0的y方向所受合力為零,則所加電場方向沿垂直
于V0方向時,電場強(qiáng)度E最小,且有夕石=叫以)5。
所以喝一耍歿
q
(2)當(dāng)加上水平向左的勻強(qiáng)電場后,微粒受力分析如圖二所示,仍保證微粒沿出方向作直線運(yùn)動,
則有qEsin0=mgcos0
設(shè)微粒沿I/O方向的最大位移為S,由動能定理得-(機(jī)gsin8+4Ecos6?+/)s=0-q機(jī)片
粒子從點(diǎn)射出到回到點(diǎn)的過程中,由動能定理得~f2s=|mv2
以上三式聯(lián)立解得v=尸:**
Vmg+/smc/
【即學(xué)即練】如圖所示,在E=l03V/m的豎直勻強(qiáng)電場中,有一光滑半圓形絕緣軌道與一水平絕緣軌
道在N點(diǎn)平滑相接,半圓形軌道平面與電場線平行,其半徑氏=40cm,可為半圓形軌通最低點(diǎn),P為
圓弧的中點(diǎn),一帶負(fù)電4=1°"C的小滑塊質(zhì)量m=l°g,與水平軌道間的動摩擦因數(shù)〃=°4,位于N點(diǎn)右
側(cè)1.5m的M處,g取1°向s)求:
(1)小滑塊從M點(diǎn)到Q點(diǎn)重力和電場力分別做的功;
(2)要使小滑塊恰能運(yùn)動到半圓形軌道的最高點(diǎn)Q,則小滑塊應(yīng)以多大的初速度%向左運(yùn)動?
(3)在第(2)問的情況下,小滑塊通過P點(diǎn)時對軌道的壓力是多大?
【答案】(1)=-0.08J,%=-0.08J(2)v0=8m/s(3)0.6N,方向水平向左
【詳解】⑴小滑塊從M點(diǎn)到Q點(diǎn)重力做的功:%=-mg-2R
代入數(shù)據(jù)解得:%=-0.08J
電場力做的功:%=-必-2R
代入數(shù)據(jù)解得:%=-0.08J
(2)設(shè)滑塊恰好到達(dá)Q點(diǎn)時速度為v,則由在Q點(diǎn)合力提供向心力知:mg+qE^m—
R
滑塊從M開始運(yùn)動到達(dá)Q點(diǎn)過程中,由動能定理得:-mg?2R-2qER-+qE)x=gmv?-gm說
代入數(shù)據(jù)聯(lián)立解得:v0=8m/s;
⑶設(shè)滑塊到達(dá)P點(diǎn)時速度為M,則從開始運(yùn)動至到達(dá)P點(diǎn)過程中,由動能定理得:
又因為在P點(diǎn)時,軌道對小滑塊的支持力提供向心力得:,=貯
代入數(shù)據(jù)聯(lián)立解得:&=0.6N,方向水平向右;
由牛頓第三定律知小滑塊通過P點(diǎn)時對軌道的壓力是0.6N,方向水平向左。
答:(1)小滑塊從M點(diǎn)到Q點(diǎn)重力和電場力分別做的功%=-0.08J,%=408J:
(2)要使小滑塊恰能運(yùn)動到半圓形軌道的最高點(diǎn)Q,則小滑塊應(yīng)以%=8m/s向左運(yùn)動.
(3)小滑塊通過P點(diǎn)時對軌道的壓力是4=0.6N,方向水平向右.
物理模型盤點(diǎn)一一磁偏轉(zhuǎn)模型
[模型概述]
帶電粒子在垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場做勻速圓周運(yùn)動。但從近年的高考來看,帶電粒子垂直進(jìn)入有界磁場中發(fā)生
偏轉(zhuǎn)更多,其中運(yùn)動的空間還可以是組合形式的,如勻強(qiáng)磁場與真空組合、勻強(qiáng)磁場、勻強(qiáng)電場組合等,
這樣就引發(fā)出臨界問題、數(shù)學(xué)等諸多綜合性問題。
從圓的完整性來看:完整的圓周運(yùn)動和一段圓弧運(yùn)動,即不完整的圓周運(yùn)動。無論何種問題,其重點(diǎn)
均在圓心、半徑的確定上,而絕大多數(shù)的問題不是一個循環(huán)就能夠得出結(jié)果的,需要有一個從定性到定量
的過程。
三步解題法:
①畫軌跡:已知軌跡上的兩點(diǎn)位置及其中一點(diǎn)的速度方向;已知軌跡上的一點(diǎn)位置及其速度方向和另外一
條速度方向線。
②定圓心:
(1)已知入射點(diǎn)、出射點(diǎn)、入射方向和出射方向時,可通過入射點(diǎn)和出射
點(diǎn)分別作垂直于入射方向和出射方向的直線,兩條直線的交點(diǎn)就是圓弧軌
道的圓心(如圖甲所示,圖中P為入射點(diǎn),M為出射點(diǎn)).
(2)已知入射方向、入射點(diǎn)和出射點(diǎn)的位置時,可以通過入射點(diǎn)作入射方向的垂線,連接入射點(diǎn)和出射點(diǎn),
作其中垂線,這兩條垂線的交點(diǎn)就是圓弧軌跡的圓心(如圖乙所示,P為入射點(diǎn),M為出射點(diǎn)).
③找聯(lián)系:速度與軌道半徑相聯(lián)系:往往構(gòu)成一個直角三角形,可用幾何知識(勾股定理或用三角函數(shù))
已知角度與圓心角相聯(lián)系:常用的結(jié)論是“一個角兩邊分別與另一個角的兩個邊垂直,兩角相等“;圓心角與
速度偏向角的關(guān)系;時間與周期相聯(lián)系:t=(或t=9)
帶電粒子在有界磁場中運(yùn)動的幾種常見情形
(1)直線邊界(進(jìn)出磁場具有對稱性,如圖所示)
(2)平行邊界(存在臨界條件,如圖所示)
(3)圓形邊界(沿徑向射入必沿徑向射出,如圖所示)
③利用帶電粒子只受洛倫茲力時遵循的半徑及周期公式聯(lián)系
[誤區(qū)點(diǎn)撥]
洛倫茲力永遠(yuǎn)與速度垂直、不做功;重力、電場力做功與路徑無關(guān),只由初末位置決定,當(dāng)重力、電場力
做功不為零時,粒子動能變化。因而洛倫茲力也隨速率的變化而變化,洛倫茲力的變化導(dǎo)致了所受合外力
變化,從而引起加速度變化,使粒子做變加速運(yùn)動。
“電偏轉(zhuǎn)”和“磁偏轉(zhuǎn)”的比較
垂直進(jìn)入磁場(磁偏轉(zhuǎn))垂直進(jìn)入電場(電偏轉(zhuǎn))
:,3;
r*----LAI
?????
;Vo
情景圖
4*~?優(yōu)
o;
/大小不變,方向總指向圓心,
受力FE=qE,FE大小、方向不變,為恒力
方向變化,6為變力
類平拋運(yùn)動
勻速圓周運(yùn)動
運(yùn)動Eq
Vx=V0,Vy=t
mvp2Tmm
規(guī)律r~Bq,T~Bq
尸丫。3尸景
典例V在如圖所示寬度范圍內(nèi),用場強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場可使初速度是V0的某種正粒子偏轉(zhuǎn)0角.在同樣寬
度范圍內(nèi),若改用方向垂直于紙面向外的勻強(qiáng)磁場(圖中未畫出),使該粒子穿過該區(qū)域,并使偏轉(zhuǎn)角也為。(不
計粒子的重力),問:
(1)勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度是多大?
⑵粒子穿過電場和磁場的時間之比是多大?ppt
如圖,空間存在方向垂直于紙面(xOy平面)向里的磁場。在后0區(qū)域,磁感應(yīng)II|II卜強(qiáng)
度的大小為瓦;尤區(qū)域,磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為IBo(常數(shù)%>1)。一質(zhì)量為加、電荷量為4(4>0)的帶電
粒子以速度vo從坐標(biāo)原點(diǎn)。沿x軸正向射入磁場,此時開始計時,當(dāng)粒子的速度方向再次沿x軸正向時,
求(不計重力)
(1)粒子運(yùn)動的時間;
(2)粒子與。點(diǎn)間的距離。
【答案】⑴舒心(2)簧吟)
【解析】(1)在勻強(qiáng)磁場中,帶電粒子做圓周運(yùn)動。設(shè)在啟0區(qū)域,圓周半徑為R;在x<0區(qū)域,圓周半
徑為&。由洛倫茲力公式及牛頓定律得
2
如0=等①
次8。%=器②
粒子速度方向轉(zhuǎn)過180。時,所用時間M為4=乎③
vo
粒子再轉(zhuǎn)過180。時,所用時間B為④
vo
聯(lián)立①②③④式得,所求時間為,。r+1箸。+;)⑤
(2)由幾何關(guān)系及①②式得,所求距離為4=2(4-%)=手(1-!)⑥
【考點(diǎn)定位】帶電粒子在磁場中的運(yùn)動
【名師點(diǎn)睛】對于帶電粒子在磁場中運(yùn)動問題,解題時常要分析帶電粒子受到的洛倫茲力的情況,找到粒
子做圓周運(yùn)動的圓心及半徑,畫出運(yùn)動軌跡可以使運(yùn)動過程清晰明了,同時要善于運(yùn)用幾何知識幫助分析
和求解。
平面直角坐標(biāo)系xOy中,第I象限存在垂直于平面向里的勻強(qiáng)磁場,第III現(xiàn)象存在沿y軸負(fù)方向的勻強(qiáng)電
場,如圖所示。一帶負(fù)電的粒子從電場中的。點(diǎn)以速度vo沿x軸正方向開始運(yùn)動,。點(diǎn)到y(tǒng)軸的距離為到
x軸距離的2倍。粒子從坐標(biāo)原點(diǎn)O離開電場進(jìn)入磁場,最終從x軸上的尸點(diǎn)射出磁場,尸點(diǎn)到y(tǒng)軸距離與
。點(diǎn)到y(tǒng)軸距離相等。不計粒子重力,問:
(1)粒子到達(dá)。點(diǎn)時速度的大小和方向;
(2)電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小之比。
【答案】(1)〃=&%,方向與x軸方向的夾角為45。角斜向上(2):=葭
【解析】(1)粒子在電場中由。到。做類平拋運(yùn)動,設(shè)。點(diǎn)速度v與+x方向夾角為a,。點(diǎn)到x軸的距
離為L,到y(tǒng)軸的距離為2L粒子的加速度為用運(yùn)動時間為二,根據(jù)類平拋運(yùn)動的規(guī)律,有:
x方向:2L=vot
y方向:L=-at2
粒子到達(dá)。點(diǎn)時沿y軸方向的分速度為:vy=at
又:tana=-
%
解得:terna=1,即a=45。,粒子到達(dá)。點(diǎn)時速度方向與x軸方向的夾角為45。角斜向上。
粒子到達(dá)。點(diǎn)時的速度大小為"==V2v
COS4b0
粒子源問題
(一)動態(tài)放縮法
粒子源發(fā)射速度方向一定、大小不同的帶電粒子進(jìn)入
速度方向一定、大小不同勻強(qiáng)磁場時,這些帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動
的軌道半徑與粒子速度大小有關(guān)
如圖所示(圖中只畫出粒子帶正電的情景),速度。越
大,運(yùn)動半徑也越大。可以發(fā)現(xiàn)這些帶電粒子射入磁
適用條
場后,它們運(yùn)動軌跡的圓心在垂直初速度方向的直線
件
PP'上
軌跡圓圓心共線
XXP'XXXX
Xx^xX
X/xX
X1X儀XAIX
p
XXXX&X
界定方
以入射點(diǎn)尸為定點(diǎn),圓心位于PP'直線上,將半徑放縮作軌跡圓,從而探索出臨
法
界條件,這種方法稱為“放縮圓”法
帶電粒子在矩形有界勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動的臨界問題
帶電粒子在矩形有界勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動的特點(diǎn):
⑴若粒子射入的初速度方向和矩形磁場某邊界垂直,如圖甲所示。
①當(dāng)粒子速度較小時,粒子將在磁場中做半個圓周運(yùn)動后從原邊界射出磁場區(qū)域;
②當(dāng)粒子速度在某一范圍內(nèi)時,粒子將在磁場中做部分圓周運(yùn)動后從側(cè)面邊界飛出磁場;
③當(dāng)粒子速度較大時,粒子將在磁場中做部分圓周運(yùn)動后從對面邊界飛出磁場。
(2)若粒子射入的初速度方向和矩形磁場某邊界成一夾角,如圖乙所示。
①當(dāng)粒子速度較小時,粒子將在磁場中做部分圓周運(yùn)動后從原邊界飛出磁場;
②當(dāng)粒子速度在某一范圍內(nèi)時,粒子將在磁場中做部分圓周運(yùn)動后從上側(cè)面邊界飛出磁場;
③當(dāng)粒子速度較大時,粒子將在磁場中做部分圓周運(yùn)動后從右側(cè)面邊界飛出磁場;
④當(dāng)粒子速度更大時,粒子將在磁場中做部分圓周運(yùn)動后從下側(cè)面邊界飛出磁場。
綜合以上分析可知,求解帶電粒子在矩形有界勻強(qiáng)磁場區(qū)域運(yùn)動的時間范圍、速度范圍等的問題時,尋找
“相切或相交”的臨界點(diǎn)是解決問題的關(guān)鍵;另外可知在磁場邊界上還有粒子不能達(dá)到的區(qū)域即“盲區(qū)”。
(二)定圓旋轉(zhuǎn)法
粒子源發(fā)射速度大小一定、方向不同的帶電粒子進(jìn)入
勻強(qiáng)磁場時,它們在磁場中做勻速圓周運(yùn)動的半徑相
同,若射入初速度大小為。0,則圓周運(yùn)動半徑為廠=
鬻,如圖所示
速度大小一定,方向不同
XXXXx①x
適用條
XX
件
:③
\Z??飛Qvi
帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動的圓心在以入射點(diǎn)
軌跡圓圓心共圓mvo
。為圓心、半徑廠=4萬的圓上
界定
將半徑為廠=1瓦的軌跡圓以入射點(diǎn)為圓心進(jìn)行旋轉(zhuǎn),從而探索粒子的臨界條件,這
方法
種方法稱為“旋轉(zhuǎn)圓”法
⑴解決帶電粒子在有界磁場中運(yùn)動的臨界問題,關(guān)鍵在于運(yùn)用動態(tài)思維,尋找臨界點(diǎn),確定臨界狀態(tài),根
據(jù)粒子的速度方向,找出半徑方向,同時由磁場邊界和題設(shè)條件畫好軌跡,定好圓心,建立幾何關(guān)系。粒
子射出或不射出磁場的臨界狀態(tài)是粒子運(yùn)動軌跡與磁場邊界相切。
(2)要重視分析時的尺規(guī)作圖,規(guī)范而準(zhǔn)確的作圖可突出幾何關(guān)系,使抽象的物理問題更形象、直觀。
(三)平移圓法
粒子源發(fā)射速度大小、方向一定,入射點(diǎn)不
同但在同一直線上的帶電粒子,它們進(jìn)入勻
適用條速度大小一定,方向一定,但入射
強(qiáng)磁場時,做勻速圓周運(yùn)動的半徑相同,若
件點(diǎn)在同一直線上
入射速度大小為則運(yùn)動半徑廠=鬻,如
圖所示
XXXXXXX
xX:Xx
ill
帶電粒子在磁場中做勻速圓周運(yùn)動的圓心在
軌跡圓圓心共線
同一直線
界定方將半徑為r=鬻的圓進(jìn)行平移,從而探索粒子的臨界條件,這種方法叫“平移圓”
法
法
題型一:動態(tài)放縮圓
典例"如圖所示,正方形區(qū)域乃川內(nèi)(含邊界)有垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場,ab=l,0a=0.4/,大量帶正電
的粒子從O點(diǎn)沿與ab邊成37。的方向以不同的初速度。0射入磁場,不計粒子重力和粒子間的相互作用,已
知帶電粒子的質(zhì)量為加,電荷量為q,磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為8,sin37°=0.6,cos37°=0.8o
⑴求帶電粒子在磁場中運(yùn)動的最長時間;
(2)若帶電粒子從ad邊離開磁場,求。o的取值范圍。
[解析](1)粒子從"邊離開磁場時,在磁場中運(yùn)動的時間最長,如圖1所示,有440=等
360°—014371Z71
又由幾何關(guān)系得74。,則粒子在磁場中運(yùn)動的最長時間t=360。丁二西方。
⑵當(dāng)粒子軌跡與ad邊相切時,如圖2所示,設(shè)此時初速度為。oi,軌道半徑為Ri,由幾何關(guān)系可得
Ri+Risin370=0.4/
又qBvoi-R]
解得。。1嚕
當(dāng)粒子運(yùn)動軌跡與Cd邊相切時,如圖3所示,設(shè)此時初速度為002,軌道半徑為&,由幾何關(guān)系可得&+
&cos37°=I
mvo2
又小(心了-
解得加=器
綜上可得暮。。W器。
/八兀根,"Bl'5qBl
[答案]⑴143畸Q喘嚴(yán)。.望
題型二:旋轉(zhuǎn)圓
典例展(多選)如圖所示,在熒屏MN上方分布了水平方向的勻強(qiáng)磁場,方向垂直紙面向里。距離熒屏d處
有一粒子源S,能夠在紙面內(nèi)不斷地向各個方向同時發(fā)射速度為。、電荷量為外質(zhì)量為優(yōu)的帶正電粒子,
不計粒子的重力,已知粒子做圓周運(yùn)動的半徑也恰好為4貝>1()
A.粒子能打到熒屏MN上的區(qū)域長度為2事d
nd
B.能打到熒屏MN上最左側(cè)的粒子所用的時間為彳
C.粒子從發(fā)射到打到熒屏MN上的最長時間為學(xué)
D.同一時刻發(fā)射的粒子打到熒屏MN上的最大時間差為需
[解析]打在熒屏上的粒子軌跡的臨界狀態(tài)如圖1所示,根據(jù)幾何關(guān)系知,帶電粒子能打到熒屏上
的區(qū)域長度為:1=AB=R+小R=(l+小)R=。+?。ヾ,故A錯誤;由運(yùn)動軌跡圖可知,能打到熒屏
上最左側(cè)的粒子偏轉(zhuǎn)了半個周期,故所用時間為:=與;又丁=羿,解得:f=耳,故B正確;在磁場中
運(yùn)動時間最長(優(yōu)弧1)和最短(劣弧2)的粒子的運(yùn)動軌跡如圖2所示,粒子做完整圓周運(yùn)動的周期7=望,
由幾何關(guān)系可知,最長時間:八=土7=啜,最短時間:/2=:7=招,根據(jù)題意得同一時刻發(fā)射的粒子打到熒
屏MN上的最大時間差:Af=ri-f2=肅,故c錯誤,D正確。
[答案]B
題型三:平移圓
典例*(多選)如圖所示,在直角三角形ABC內(nèi)充滿垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場(圖中未畫出),A3邊長度為d,
TT
NB=(°現(xiàn)垂直AB邊射入一束質(zhì)量均為"八電荷量均為外速
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