- 带电粒子在电场中的运动
- 共5409题
(22分)如图所示,在xoy平面内第二象限的某区域存在一个圆形匀强磁场区,磁场方向垂直xoy平面向外。一电荷量为e、质量为m的电子,从坐标原点O处以速度v0射入第二象限,速度方向与y轴正方向成30°角,经过磁场偏转后,通过P(0,)点,速度方向垂直于y轴,不计电子的重力。电子在圆形磁场区域中作圆周运动的轨道半径为
,求:
(1)电子从坐标原点O 运动到P点的时间t1;
(2)所加圆形匀强磁场区域的最小面积;
(3)若电子到达y轴上P点时,撤去圆形匀强磁场,同时在y轴右侧加方向垂直xoy平面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B1,在y轴左侧加方向垂直xoy平面向里的匀强磁场,电子在第(k+1)次从左向右经过y轴(经过P点为第1次)时恰好通过坐标原点。求y轴左侧磁场磁感应强度大小B2及从P点运动到坐标原点的时间t2
正确答案
(1)(2)
(3)
(1)由几何关系,电子从O点运动到P点的路程为:
将
所以从O点运动到P点的时间为
(2)以AB为直径的圆形磁场即为最小的圆形磁场区域,最小面积为
(3)设电子在y轴右侧和左侧做圆周运动的半径分别为r1和r2,则有
如图乙的几何关系可知
设电子在y轴右侧和左侧做圆周运动的周期分别为T1和T2, 则
解得
本题考查的是带电粒子在磁场中的运动问题,根据几何关系,应用带电粒子在磁场中的运动的相关公式,即可计算出结果;
(18分)一束初速度不计的电子在经U的加速电压加速后,在距两极板等距处垂直进入平行板间的匀强电场,如图所示,若板间距离d,板长l,偏转电极边缘到荧光屏的距离为L,偏转电场只存在于两个偏转电极之间。已知电子质量为m,电荷量为e,求:
(1)电子离开加速电场是的速度大小;
(2)电子经过偏转电场的时间;
(3)要使电子能从平行板间飞出,两个极板上最多能加多大电压?
(4)电子最远能够打到离荧光屏上中心O点多远处?
正确答案
①②
③
④离O点最远距离=" Y’+d/2=(2L+l)" d /2l
试题分析:①设电子流经加速电压后的速度为,则由动能定理有:
q=e (2分)
(1分)
②电子经过偏转电场时做类平抛运动,运动时间
(3分)
③设两极板上最多能加的电压为要使电子能从平行板间飞出则电子的最大侧移量为
,则有:
(4分)
联立①②两式 (2分)
④从板边缘飞出到荧光屏上离O点最远。这时
tanα=vy/v0=Y’/L (1分)
而vy="at" (1分) ∴tanα=vy/v0="U’l/2dU=" d/l (1分)
∴Y’=" L" d/l (1分)
离O点最远距离=" Y’+d/2=(2L+l)" d /2l (2分)
如图所示,有一质子(质量为m,电荷量为e)由静止开始经电压为U1的电场加速后,进入两块板间距离为d,板间电压为U2的平行金属板间,若质子从两板正中间垂直电场方向射入偏转电场,并且恰能从下板右边缘穿出电场。
求:(1)质子刚进入偏转电场U2时的速度;
(2)质子在偏转电场U2中运动的时间和金属板的长度;
(3)质子穿出偏转电场时的动能。
正确答案
(1) (2)
(3)
试题分析:(1) 质子在加速电场中有
(2)质子在偏转电场中的运动可分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的匀加速直线运动
水平方向
竖直方向
加速度
由以上各式解得极板长
运动时间
(3)质子在整个运动过程中由动能定律得
质子射出电场时的动能
(9分)如图在竖直放置的铅屏A的右表面上贴着能放射电子的仪器P,放射源放出的电子速度大小均为v0=1.0×107m/s,各个方向均有。足够大的荧光屏M与铅屏A平行放置,相距d=2.0×10-2m,其间有水平向左的匀强电场,电场强度大小E=2.5×104N/C。已知电子电量e=1.6×10-19C,电子质量m=9.0×10-31kg,不计电子重力。求:
(1)电子到达荧光屏M上的动能
(2)荧光屏上的发光面积(结果保留3位有效数字)
正确答案
(1) (2)
试题分析:(1)由动能定理: 2分
得 1分
(2) 电子各个方向均有,其中和铅屏A平行的电子在纵向偏移距离最大
2分
2分
解得
在荧光屏上观察到的范围是半径为r的圆,
面积 1分
代入数值得 1分
(11分)如图10所示,真空中存在空间范围足够大的、方向水平向右的匀强电场,在电场中,一个质量为m、带电荷量为q的小球,从O点出发,初速度的大小为v0,在重力与电场力的共同作用下恰能沿与场强的反方向成θ角做匀减速直线运动.求:
(1)匀强电场的场强的大小;
(2)小球运动的最高点与出发点之间的电势差.
正确答案
(1) (2)
(1)小球做直线运动,故重力与电场力的合力必与v0在一条直线上,即
tanθ=,得E=
(2)小球做匀减速直线运动,根据F=ma得:
=ma,a=
,
最大位移s==
水平位移x=scosθ=
电势差U=Ex=.
如图所示,一个质量m=10-6kg,电量q=+2.0c的微粒,由静止开始出发,加速电压U加=105V,带电微粒垂直进入偏转电场中,板长l=20cm,两板间距离d=4cm,两板间偏转电压U偏=4×103V(不计重力),试求:
小题1:带电粒子离开偏转电场时侧移是多少?
小题2:全过程中电场力对带电粒子做功为多少?
小题3:若在偏转电场右侧距离为S="20cm" 处,放一竖直荧光屏,则带电粒子打在荧光屏上的位置距中心O的距离?
正确答案
小题1:
小题2:
小题3:
(1)加速电场中获得v0的速度,则有
① 1分
垂直进入偏转电场做类平抛运动,侧移为y,则
② 2分
①和②联合解得: 2分
(2)在加速电场中电场力做的功为W1:
W1=qU加 ③ 1分
在偏转电场中电场力做的功为W2:
④ 2分
由③、④得
2分
(3)设带电粒子打于荧光屏上的P点,利用带电粒子离开偏转电场时,速度的反向延长线交于两板间中轴线的处,则由相似三角形得。
4分
化简后 2分
如图所示,在xOy平面上第Ⅰ象限内有平行于y轴的有界匀强电场,方向如图。y轴上一点P的坐标为(0,L),有一电子以垂直于y轴的初速度v0从P点垂直射入电场中,并从A点射出,A点坐标为(2L,0)。已知电子的电量大小为e,质量为m,不计电子的重力。
(1)求匀强电场的场强大小;
(2)若在第Ⅳ象限过Q点放一张垂直于xOy平面的感光胶片,Q点的坐标为(0,-L),求感光胶片上曝光点的横坐标x。
正确答案
(1)(2)3L
试题分析:(1)设匀强电场的场强为E,电子在电场中运动时间为t1,
则沿x轴方向, ,沿Y轴方向,
解得:
(2)离开电场时,电子沿y轴方向的速度
解得,
由几何关系得,
解得,考点:
如图所示,质量为m、电量为q的带电微粒,以初速度V0从A点竖直向上射入水平方向的匀强电场中。当微粒经过B点时速率为VB=2V0,而方向与电场强度方向相同。
求:(1)带电微粒从A运动到B经历的时间
(2)A、B两点间的电势差
正确答案
(1)V0/g ,(2) 2mV02/q
略
一个带电粒子以初速度与水平方向成q 角(sinq =0.6)斜向上射入某匀强电场区域,粒子进入电场区域后沿直线运动.已知:粒子的质量为m=7.5×kg,带电量q=4×C,取,带电粒子所受的重力不能忽略.
(1)要使带电粒子进入电场后沿直线运动,求:该电场电场强度的最小值及方向.
(2)当电场强度为最小值时,通过计算说明该粒子进入这个电场区域后运动的性质.
正确答案
(1)1.5×N/C 方向:垂直于斜向上.(2)
(1)带电粒子受重力和电场力如图所示. (2分)
要使带电粒子沿直线运动,其初速度方向必与合外力方向共线,必须使粒子在垂直于运动直线方向上所受合力为零.要使电场强度最小,匀强电场方向应垂直于运动直线(或)向上,即:使电场力与重力在垂直于运动直线方向上的分力互相平衡. (2分)
设E为满足条件的电场强度的最小值并满足方程:
(2分)
得: (2分)
代入数据:E=1.5×N/C (2分)
方向:垂直于斜向上. (2分)
(2)由于粒子所受重力、电场力均为恒力,所以粒子的加速度恒定.粒子所受的合外力方向与方向相反,所以粒子做匀减速运动. (3分)
由:mgsinq =ma解得: (3分)
一质量为m、电荷量为+q的小球,从O点以和水平方向成α角的初速度v0抛出,当达到最高点A时,恰进入一匀强电场中,如图.经过一段时间后,小球从A点沿水平直线运动到与A相距为S的A′点后又折返回到A点,紧接着沿原来斜上抛运动的轨迹逆方向运动又落回原抛出点.求
(1)该匀强电场的场强E的大小和方向(即求出图中的θ角,并在图中标明E的方向)
(2)从O点抛出又落回O点所需的时间.
正确答案
(1) θ=arctan 方向斜向上(2) t=
+
(1)斜上抛至最高点A时的速度vA=v0cosα① 水平向右
由于AA′段沿水平方向直线运动,所以带电小球所受的电场力与重力的合力应为一水平向左的恒力:F==qEcosθ,②
带电小球从A运动到A′过程中作匀减速运动
有(v0cosα)2=2qEcosθs/m③
由以上三式得:
E=m
θ=arctan 方向斜向上
(2)小球沿AA′做匀减速直线运动,于A′点折返做匀加速运动
所需时间t=+
本题考查力的独立作用原理,因为小球能返回A点,所以重力和电场力的方向水平向左,由力的合成可求得电场强度
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