- 带电粒子在电场中的运动
- 共5409题
如图所示为研究电子枪中电子在电场中运动的简化模型示意图。在Oxy平面的ABCD区域内,存在两个大小均为E的匀强电场I和II,两电场的边界均是边长为L的正方形(不计粒子所受重力)。
(1)在该区域AB边的中点处由静止释放电子,求电子离开ABCD区域的位置;
(2)在电场I区域内适当位置由静止释放电子,电子恰能从ABCD区域左下角D处离开,求所有释放点的位置。
正确答案
解:(1)设电子的质量为m,电量为e,电子在电场I中做匀加速直线运动,出区域I时的为v0,此后电场II做类平抛运动,假设电子从CD边射出,出射点纵坐标为y,有
解得y=,所以原假设成立,即电子离开ABCD区域的位置坐标为(-2L,
)
(2)设释放点在电场区域I中,其坐标为(x,y),在电场I中电子被加速到v1,然后进入电场II做类平抛运动,并从D点离开,有
解得xy=,即在电场I区域内满足议程的点即为所求位置
如图,带电平行板长为L,极板间距离为d,将电子(质量为m、电量为-e)在两板中央以速度v0垂直电场方向射入,飞出电场时侧位移为d,不计重力,求:
(1)电子在电场中运动的时间为多少?此时所加的偏转电压多大?
(2)进入电场的初速度不变,若使电子不能射出电场,偏转电压应满足的条件。
正确答案
解:(1)电子在电场中做类平抛运动
由题意知 ①
解得 ②
在竖直方向做匀加速直线运动得 ③
a= ④
由②③④联立解得 ⑤
(2)设电子恰好落在极板上时板间最小电压为
⑥
=
⑦
由②⑥⑦解得: ⑧
如图所示,在长为2L、宽为L的ABCD区域内有一半的空间存在场强为E、方向平行于BC边的匀强电场,现有一个质量为m,电量为e的电子,以平行于AB边的速度v0从区域的左上角A点射入该区域,不计电子所受的重力,则:
(1)当无电场的区域位于左侧时(如图甲),求电子射出ABCD区域时的动能;
(2)当无电场区域的左边界距AD的距离为x时(如图乙),要使这个电子能从区域的右下角的C点射出,电子的初速度v0应满足什么条件。
正确答案
解:(1)电子先做匀速运动,进入电场后做类平抛运动,设电子恰好从C点射出电场
电子在电场中运动的加速度a=
设电子在电场中的运动时间为t,则有L=v0t,L=at2
解得:v0=
①当v0≤时,电子从电场的下边界射出电场
射出电场时的动能Ek=mv02+eEL
②当v0>时,电子从电场的右边界射出电场
射出电场时沿电场方向的位移y=at2=
射出电场时的动能Ek=mv02+eEy=
mv02+
(2)电子先做类平抛运动,接着做匀速直线运动,最后做类斜下抛运动
设电子整个运动时间为t1,则有
2L=v0t1,
解得:v0=
如图,带电平行板长为L,距离为d将电子(质量为m、电量为-e)在两板中央以速度v0垂直电场方向射入,飞出电场时侧位移为d。则:
(1)电子在电场中运动的时间为多少,此时所加的偏转电压多大;
(2)进入电场的初速度不变,若使电子不能射出电场,偏转电压应满足的条件。
正确答案
解:(1)由题意知 ①
解得 ②
在竖直方向做匀加速直线运动得
d=
at2 ③
a= ④
由②③④联立解得 ⑤
(2)由题意知恰好落在极板上时板间电压最小为
⑥
=
⑦
由②⑥⑦解得:
如图所示,长为L(L=ab=dc),高为H(H=bc=ad)的矩形区域abcd内存在着匀强电场。电量为q、动能为Ek的带电粒子从a点沿ab方向进入电场,不计重力。
(1)若粒子从c点离开电场,求电场强度的大小和粒子离开电场时的动能
;
(2)若粒子dc边离开电场时动能为,则电场强度
为多大?
正确答案
(1),
(2)
下图为一真空示波管的示意图,电子从灯丝K发出(初速度可忽略不计),经灯丝与A板间的电压U1加速,从A板中心孔沿中心线KO射出,然后进入两块平行金属板M、N形成的偏转电场中(偏转电场可视为匀强电场),电子进入M、N间电场时的速度与电场方向垂直,电子经过电场后打在荧光屏上的P点。 已知M、N两板间的电压为U2,两板间的距离为d,板长为L,电子的质量为m,电荷量为e,不计电子受到的重力及它们之间的相互作用力。
(1)求电子穿过A板时速度的大小v0;
(2)求电子从偏转电场射出时的侧移量y;
(3)若要使电子打在荧光屏上P点的上方,加速电压U1和M、N两板间的电压为U2将如何改变?(不用说明理由)
正确答案
(1)(2)
(3)减小加速电压
,增大偏转电压
试题分析:(1)设电子经电压加速后的速度为
,由动能定理
解得
(2)电子以速度进入偏转电场后,做类平抛运动。
设电子离开偏转电场时的侧移量为y,则
沿初速方向匀速直线运动有
垂直初速方向有
又电场力
根据F=ma,得加速度为
解得
(3)减小加速电压,增大偏转电压
点评:根据动能定理求出电子进入偏转电场的速度;电子进入偏转电场后,做类平抛运动,在沿电场方向上做初速度为零的匀加速直线运动,根据运动学公式,求出偏转量;电子出偏转电场后,做匀速直线运动,最终电子到达屏上P点,若要使电子达到P点上方,需增加偏移量或增大偏转角。
如图所示为研究电子枪中电子在电场中运动的简化模型示意图。在Oxy平面的ABCD区域内,存在两个场强大小均为E的匀强电场I和II,两电场的边界均是边长为L的正方形(不计电子所受重力)。
(1)在该区域AB边的中点处由静止释放电子,求电子离开ABCD区域的位置;
(2)在电场I区域内适当位置由静止释放电子,电子恰能从ABCD区域左下角D处离开,求所有释放点的位置。
正确答案
解:(1)设电子的质量为m,电量为e,电子在电场I中做匀加速直线运动,出区域I时的为v0,此后电场II做类平抛运动,假设电子从CD边射出,出射点纵坐标为y,有
,
解得y=
所以原假设成立,即电子离开ABCD区域的位置坐标为(-2L,)
(2)设释放点在电场区域I中,其坐标为(x,y),在电场I中电子被加速到v1,然后进入电场II做类平抛运动,并从D点离开,有
,
解得xy=即在电场I区域内满足议程的点即为所求位置
如图所示,在y>0的空间中存在匀强电场,场强沿y轴负方向;在y<0的空间中,存在匀强磁场,磁场方向垂直xy平面(纸面)向外。一电量为q、质量为m的带正电的运动粒子,经过y轴上y=h处的点P1时速率为v0,方向沿x轴正方向;然后,经过x轴上x=2h处的P2点进入磁场,并经过y轴上y=-2h处的P3点。不计重力。求:
(1)电场强度的大小;
(2)粒子到达P2时的速度;
(3)磁感应强度的大小。
正确答案
解:(1)设粒子从P1到P2的时间为t,电场强度的大小为E,粒子在电场中的加速度为a
qE=ma
v0t=2h
(2)粒子到达P2时速度沿x方向的分量仍为v0,以v1表示速度沿y方向分量的大小,v表示速度的大小,θ表示速度和x轴的夹角,如图,则有
,
,
,v1=v0,
(3)
因为OP2=OP3,θ=45°,P2P3为圆轨道的直径
得r=,
如图所示,质量为5×10-8kg的带电微粒以V0=2m/s的速度从水平放置的金属板A、B的中央飞入板间,已知板长L=10cm,板间距离d=2cm。当UAB=1000V时,带电粒子恰好沿直线穿过板间,则UAB在什么范围内带电粒子能从板间飞出?(g取10m/s2)
正确答案
解:依题意当UAB=1000V时粒子做直线运动则:=mg
设粒子飞出的时间为t,由水平方向粒子做匀速运动:L=V0t
当AB电压为U1时,粒子刚好从A板边缘飞出,则:竖直方向1
∴U1=1800V
当AB电压为U2时,粒子刚好从B板边缘飞出,则:
∴U2=200V
所以粒子能飞出的电压范围200V~1800V
(10分)如图所示电子射线管.阴极K发射电子,阳极P和阴极K间 加上电压后电子被加速。A、B是偏向板,使飞进的电子偏离.若已知P、K间所加电压UPK=2.5×103V,两极板长度L=6.0×10-2m,板间距离d=3.6×10-2m,所加电压UAB=1000V,R=3×10-2m, 电子质量me=9.1×10-31kg,电子的电荷量e=-1.6×10-19C。设从阴极出来的电子速度为0,不计重力。 试问:
(1)电子通过阳极P板的速度υ0是多少? (2分)
(2)电子通过偏转电极时具有动能Ek是多少?(3分)
(3)电子过偏转电极后到达距离偏转电极R=3×10-2m荧光屏上O′点,此点偏离入射方向的距离y是多少?(5分)
正确答案
(1) (2)
(3)2.0×10-2m
试题分析:(1)由动能定理得到
所以=2.96×107m/s(2分)
(2)电子通过偏转电极时具有动能Ek包括电子通过加速电场时电场力做的功W1=eUPK ,电子通过偏转电极时电场力做的功W2=Eq=
,
,
,
,联立以上各式代入数据得:
=4.44×10-16J(3分)
(3)电子离开偏转电场后做匀速直线运动,由图中的几何关系得到,
,
,
,
,联立以上各式代入数据得:
=2.0×10-2m.(5分)
点评:本题学生知道解加速问题用动能定理,粒子偏转时做类平抛运动,可按平抛运动的方法进行求解,代入数据计算时要用科学计数法。
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