- 带电粒子在电场中的运动
- 共5409题
(12分)如图所示,在虚线所示宽度范围内,用场强为的匀强电场可使初速度是
的某种正离子偏转
角.在同样宽度范围内,若改用方向垂直纸面向外的匀强磁场,使该离子穿过该区域,并使偏转角也为
,(不计离子的重力)求:
(1)匀强磁场的磁感应强度是多大?
(2)离子穿过电场和磁场的时间之比是多大?
正确答案
解:(1)设粒子的质量,电荷量
,场区宽度
,粒子在电场中做类平抛运动
……………………①
…………………………②
……………………③
由①②③得:……………………④
粒子在磁场中做匀速圆周运动
…………………………⑤
…………………………⑥
由⑤⑥解得:…………………………⑦
由④⑦式解得:
(2)粒子在电场中运动时间……………………⑧
在磁场中运动时间……………………⑨
而…………………………⑩
由⑧⑨⑩解出:
略
如图所示,在一个边长为L的正方形有界匀强电场E中,有带电荷量为q、动能为Ek的某种离子从A点沿AB方向射入电场。
(1)如果离子恰从C点射出此有界电场,试求这个有界电场的电场强度的大小和离子射出电场时的动能;
(2)如果离子射出电场区域时的动能为Ek',试求这个有界电场的电场强度大小。
正确答案
解:(1)离子在匀强电场中做类平抛运动(离子重力不计),因离子恰从C点射出,在垂直于电场方向 上:L=v0t
在平行于电场方向上:L==
=
解得:电场强度大小E=
由动能定理得:离子射出电场时的动能Ek''=EqL+Ek=5Ek
(2)离子射出电场有两种可能性,第一种可能性是从BC边射出
在垂直电场方向上:L=v0t
在平行于电场方向上:vy=at=
则:Ek'-Ek=
解得:电场强度E=
第二种可能性是从CD边射出
由动能定理可得:Ek'-Ek=EqL
解得:E=
如图所示是某种静电分选器的原理示意图。两个竖直放置的平行金属板带有等量异号电荷,形成匀强电场。分选器漏斗的出口与两板上端处于同一高度,到两板距离相等。混合在一起的、两种颗粒从漏斗出口下落时,种颗粒带上正电,种颗粒带上负电。经分选电场后,、两种颗粒分别落到水平传送带、上。
已知两板间距=0.1m,板的长度=0.5m,电场仅局限在平行板之间;各颗粒所带电荷量大小与其质量之比均为1×10-5C/kg。设颗粒进入电场时的初速度为零,分选过程中颗粒大小及颗粒间的相互作用力不计。要求两种颗粒离开电场区域时,不接触到极板但有最大偏转量。重力加速度取10m/s2。
(1)左右两板各带何种电荷?两极板间的电压多大?
(2)若两带电平行板的下端距传送带、的高度=0.3m,颗粒落至传送带时的速度大小是多少?
正确答案
解:(1)因为种颗粒带正电,种颗粒带负电,故由图可知,左极板带负电荷,右极板带正电荷。
设最大偏转量为,在场中运动时间为,最大电压为则:=2①
=2②
==0.05m③
由①②③得:=1×104V
(2)设落至传送带时速度大小为,由动能定理知:
+(+)=2
所以= =
m/s≈4m/s
如图所示,坐标平面第Ⅰ象限内存在大小为E=4×105N/C方向水平向左的匀强电场,在第Ⅱ象限内存在方向垂直纸面向里的匀强磁场。质荷比为N/C的带正电粒子从轴上的A点以初速度0=2×107m/s垂直轴射入电场,OA=0.2m,不计重力。求:
(1)粒子经过y轴时的位置到原点O的距离;
(2)若要求粒子不能进入第三象限,求磁感应强度B的取值范围(不考虑粒子第二次进入电场后的运动情况)。
正确答案
解:(1)设粒子在电场中运动的时间为t,粒子经过y轴时的位置与原点O的距离为y,则:
解得:a=1.0×1015m/s2,t=2.0 ×10-8 s,
(2)粒子经过y轴时在电场方向的分速度为:
粒子经过y轴时的速度大小为;
与y轴正方向的夹角为θ,θ=45°
要粒子不进入第三象限,如图所示,此时粒子做圆周运动的轨道半径为R',则:
由
解得
如图所示,两平行金属板M、N长度为L,两金属板间距为L。直流电源的电动势为E,内阻不计。位于金属板左侧中央的粒子源O可以沿水平方向向右连续发射电荷量为+q、质量为m的带电粒子,带电粒子的质量不计,射入板间的粒子速度均为v0=
。在金属板右侧有一个垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度为B。
(1)将变阻器滑动头置于a端,试求带电粒子在磁场中运动的时间;
(2)将变阻器滑动头置于b端,试求带电粒子射出电场的位置;
(3)将变阻器滑动头置于b端,试求带电粒子在磁场中运动的时间。
正确答案
解:(1)将变阻器滑动头置于a端,两极板M、N间的电势差为零,带电粒子不会发生偏转
带电粒子在磁场中转动半周离开磁场,运动时间为t1=
(2)将滑动变阻器滑动头置于b端,带电粒子向上偏转
带电粒子在电场中做类平抛运动,L=v0t,y=
将v0=代入得,y=
L
带电粒子射出电场的位置为M板的上边缘
(3)带电粒子射出电场时速度与水平方向夹角的正切tan θ=,所以θ=30°
带电粒子的运动时间为t2=
下图为一示波管中的水平偏转极板,已知极板的长度为L,两板距离为d,所加偏转电压为U,且下板带正电;若一束电子以初速v0沿极板的中线进入偏转电场,最终电子从P点飞出。设电子的质量为m,电量为e,不计电子的重力。试求:
(1)电子在极板间运动的加速度大小;
(2)电子通过极板发生的偏转距离y;
(3)若规定图中的上极板电势为零,试求P点的电势。
正确答案
(1)
(2)
(3)
如图所示的电路中,两平行金属板A、B水平放置,极板长L=80 cm,两板间的距离d=40 cm。电源电动势E=40 V,内电阻r=1 Ω,电阻R=15 Ω,闭合开关S,待电路稳定后,将一带负电的小球从B板左端且非常靠近B板的位置以初速度v0=4 m/s水平向右射入两板间,该小球可视为质点。若小球带电量q=1×10-2 C,质量为m=2×10-2 kg,不考虑空气阻力,电路中电压表、电流表均是理想电表。若小球恰好从A板右边缘射出(g取10 m/s2)。求:
(1)滑动变阻器接入电路的阻值为多少?
(2)此时电流表、电压表的示数分别为多少?
(3)此时电源的效率是多少?
正确答案
解:(1)对小球受力分析有:
沿电场方向:-mg=ma,d=
at2
垂直电场方向:L=v0t
联立解得t=0.2s,a=20m/s2,U=24V
由=
,得
=24Ω
(1)I=1A,U路=39V
(3)η=97.5%
(9分)如图所示,真空室中阴极K逸出电子(初速不计),经过电压为U1的加速电场后,由小孔S沿水平金属极板A、B间的中心线射入,金属极板A、B长均为L,相距为d,两板间加上恒定电压U0,在两极板右侧与极板右端相距D处有一个与两极板中心线垂直的足够大的荧光屏,中心线正好与屏上坐标原点相交.已知电子的质量为me,带电荷量为-e(不计电子的重力)。求:
(1)电子刚进入偏转极板A、B时的初速度v=?
(2)要使所有电子都能打在荧光屏上,则所加偏转电压的U0应满足什么条件?
(3)偏转电压满足第2问条件下,求电子从逸出至打到荧光屏上增加的动能。
正确答案
(1)
(2)设偏转距离为时所对应的电压为
,则
时所有粒子均能射出。
2分
1分
(3) 2分
2分
略
如图所示的直角坐标系中,在直线x=-2l0到y轴区域内存在着两个大小相等、方向相反的有界匀强电场,其中x轴上方的电场方向沿y轴负方向,x轴下方的电场方向沿y轴正方向.在电场左边界上A(-2l0,-l0)到C(-2l0,0)区域内,连续分布着电荷量为+q、质量为m的粒子.从某时刻起由A点到C点间的粒子,依次连续以相同的速度v0沿x轴正方向射入电场.若从A点射入的粒子,恰好从y轴上的A′(0,l0)沿x轴正方向射出电场,其轨迹如图.不计粒子的重力及它们间的相互作用.求:
(1)匀强电场的电场强度E;
(2)在AC间还有哪些位置的粒子,通过电场后也能沿x轴正方向运动.
正确答案
(1) (2)AC间y坐标为
(n = 1,2,3,……)
(1)从A点射出的粒子,由A到A′的运动时间为T,根据运动轨迹和对称性,
x轴方向 ------------------------------------------------------------------2分
y轴方向 --------------------------------------------------2分
解得: --------------------------------------------------------------------2分
(2)设到C点距离为△y处射出的粒子通过电场后也沿x轴正方向,粒子第一次达x轴用时△t,水平位移为△x,则
----------------------------------------------------2分
粒子从电场射出时的速度方向也将沿x轴正方向,则
-----------------------------------------------------------------------2分
解之得: ---------------------------------------------1分
即AC间y坐标为 (n = 1,2,3,……)-------------------------1分
如图所示,水平放置的M、N两平行板相距为d=0.50m,板长为L=1m,,两板间有向下的匀强电场,场强E=300.0N/C,紧靠平行板右侧边缘的 xoy直角坐标系以N板右端为原点,在xoy坐标系的第一象限内有垂直纸面向外的匀强磁场,磁感强度B=×10-2T,磁场边界OA与x轴夹角∠AOx=60°,现有比荷为
×106C/kg的带电粒子(重力不计),沿靠近M板的水平线垂直电场方向进入电场,离开电场后垂直于OA边界进入磁场区域,
求:(1)带电粒子进入电场时的初速度v0;(2)带电粒子从进入电场到离开磁场的总时间。
正确答案
(1) (2)
试题分析:(1)带电粒子要垂直射入磁场,则速度偏向角为30°
有 (2分)
(1分)
(1分)
(2)粒子在电场中的运动时间为 (1分)
粒子在电场中的偏转距离为 (1分)
粒子离开电场的速度(1分)
粒子离开电场后做匀速直线运动,直线运动距离(2分)
运动时间(1分)
粒子进入磁场后的轨道半径为R,(2分)
由(2分)由正弦定理有
得(2分)由此可知,带电粒子在磁场中的偏转角度为30°
由在磁场中的运动时间为(2分)
则总运动时间为(2分)
点评:带电粒子在电场中运动时关键是对其受力分析,根据牛顿第二定律解题,在磁场中运动时,需要画轨迹,定圆心,求半径,
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