- 带电粒子在电场中的运动
- 共5409题
如图所示,ab、cd为一对水平正对放置的平行金属板,ab板在上、cd板在下,两板间距d=0.10m,板长l=2.0m,两板间电势差U=1.0×104V。一带负电荷的油滴以初速度v0=10m/s由两板中央沿垂直电场强度方向射入板间电场区,并能由bd端射出电场区。设电场区域仅限于两平行板之间,取g=10m/s2
小题1:说明在带电油滴的比荷大小(q/m)不同时,油滴射入电场后可能发生的几种典型运动情况,指出运动性质。
小题2:求出上述几种典型运动情况中油滴的比荷大小(q/m)应满足的条件。
正确答案
小题1:见解析
小题2:见解析
因为G和F均为恒力,所以有以下三种典型的运动情况:
(2)①在电场力大于重力的情况下,当油滴沿竖直方向的位移满足
因此在电场力大于重力的情况下油滴的比荷应满足
②在电场力等于重力的情况下,应有qU/d=mg
③在电场力小于重力的情况下,当油滴沿竖直方向的位移满足
因此在电场力小于重力的情况下油滴的比荷应满足
如图所示,在x-y-z三维坐标系的空间,在x轴上距离坐标原点x0=0.1m处,垂直于x轴放置一足够大的感光片。现有一带正电的微粒,所带电荷量q=1.6×10-16C,质量m=3.2×10-22kg,以初速度v0=1.0×104m/s从O点沿x轴正方向射入。不计微粒所受重力。
(1)若在x≥0空间加一沿y轴正方向的匀强电场,电场强度大小E=1.0×104V/m,求带电微粒打在感光片上的点到x轴的距离;
(2)若在该空间去掉电场,改加一沿y轴正方向的匀强磁场,磁感应强度大小B=0.1T,求带电微粒从O点运动到感光片的时间;
(3)若在该空间同时加沿y轴正方向的匀强电场和匀强磁场,电场强度、磁场强度大小仍然分别是E=1.0×104V/m和B=0.1T,求带电微粒打在感光片上的位置坐标x、y、z分别为多少。
正确答案
(1)0.25m(2)1.05×10-5s(3)0.027m
试题分析:(1)设带电微粒在电场中运动时间为t1,打在感光片上的点到x轴的距离为y1,则 (2分)
(2分)
(2分)
得:y1=0.25m (1分)
(2)设带电粒子在匀强磁场中运动的轨道半径为R,运动周期为T,从O点运动到感光片的时间为t2,运动轨迹如图所示,则
由 得:
=0.2m(2分)
由 得:
(1分)
由得:
(2分)
=1.05×10-5s (1分)
(3)带电粒子在匀强电、磁场中,沿y轴做匀加速直线运动,在垂直于y轴平面做匀速圆周运动。设带电粒子打在感光片点的坐标为(x、y、z),则
x=x0="0.10m" (2分)
="0.276m=0.28m" (2分)
z=R-Rcosθ=0.0268m=0.027m (2分)
如图所示,有一带电粒子(不计重力)紧贴A板沿水平方向射入匀强电场,当偏转电压为U1时,带电粒子沿轨迹①从两板正中间飞出;当偏转电压为U2时,带电粒子沿轨迹②落到B板中间。设两次射入电场的水平速度相同,试求:两次的电压之比U1:U2。
正确答案
解:对轨迹①分析
水平方向:
竖直方向:,
,
对轨迹②分析
水平方向:
竖直方向:,
,
综上U1:U2 = 1 :8
平行电金属板的两板间电压为100V。有一电子以初速度υ0=2×107m/s沿两平行板的中线射入电场,已知金属板长4cm,相距d=1cm。(电子质量为m=9.1×10-31 kg,e=1.6×10-19 C,不计重力作用)求:
(1)电子的偏移量y大小?
(2)电子的偏转角的正切值是多少?
正确答案
解:(1)E=U/d
F=Eq
F=ma
L=υ0t
Y=at2/2
Y=0.0035m
(2)tanθ=0.175
如图所示,A、B为两块足够大的平行金属板,接在电压为U的电源上。在A板的中央P点处放置一个电子放射源,可以向各个方向释放电子。设电子的质量为m,电荷量为e,射出的初速度为v。求电子打在B板上的区域面积。(不计电子的重力)
正确答案
解:研究打在最边沿处的电子,即从P处平行于A板射出的电子,它们做类平抛运动,在平行于A板的方向做匀速直线运动,
r=vt ①
②
解①②方程组得电子打在B板上圆形半径
圆形面积
如图所示,A、B两块带异号电荷的平行金属板间形成匀强电场,一电子以的速度垂直于场强方向沿中心线由O点射入电场,从电场右侧边缘C点飞出时的速度方向与
方向成30°的夹角。已知电子电荷
,电子质量
,求:
(1)电子在C点时的动能是多少J?
(2)O、C两点间的电势差大小是多少V?
正确答案
解:(1)电子在C点时的速度为
有
(2)对电子从O到C,由动能定理,有
得
如图所示,在空间中取直角坐标系Oxy,在第一象限内平行于y轴的虚线MN与y轴距离为d,从y轴到MN之间的区域充满一个沿y轴正方向的匀强电场,场强大小为E。静止的电子经过另一个电势差为U的电场加速后,从y轴上的A点以平行于x轴的方向射入第一象限区域,A点坐标为(0,h)。已知电子的电量为e,质量为m,加速电场的电势差U>,电子的重力忽略不计,求:
(1)电子从A点进入电场到离开该电场区域所经历的时间t和离开电场区域时的速度v;
(2)电子经过x轴时离坐标原点O的距离l。
正确答案
(1) (2)l=
+
试题分析:(1)电子加速过程有
设电子可以从MN射出电场,在水平方向有:
竖直方向有:
联立解得:,
因为U>,所以
假设成立
由动能定理得:
解得电子射出电场的速度为:
(2)电子离开电场做匀速直线运动,在水平方向有:
竖直方向有:
电子经过x轴时离坐标原点O的距离
联立解得 l=+
(20分) 如图所示,在MN左侧QP上方有匀强电场。在MN右侧存在垂直于纸面的矩形匀强磁场(图中未画出),其左边界和下边界分别与MN、AA/重合。现有一带电粒子以初速度自O点沿水平方向射入,并恰好从P点射出,又经过在矩形有界磁场中的偏转,最终垂直于MN从A点向左水平射出。已知PA距离为d,
,
距离
。不计带电粒子重力。
求:(1)粒子从下极板边缘射出时的速度;
(2)粒子在从O到A经历的时间
(3)矩形有界磁场的最小面积。
正确答案
(1),竖直方向成300角;(2)
;(3)
试题分析:(1)带电粒子在电场中平行极板方向做匀速运动: (1分)
竖直方向开始做匀加速直线运动: (1分)
解得 (1分)
则粒子从下极板边缘射出时的速度为 (2分)
且与竖直方向成300角 (1分)
(2)带电粒子在电场中的运动时间 (2分)
由图中几何关系即
(2分)
离开电场后先做匀速运动,匀速运动时间为 (1分)
然后进入磁场,在磁场中偏转1200到达A
(2分)
所以带电粒子由O到A的运动时间为 (1分)
(3)由轨迹示意图可知,磁场区域宽等于轨迹半径r,高等于1.5r, (3分)
而,所以矩形有界磁场的最小面积为
(3分)
如图所示匀强电场宽度为l,场强大小为E、方向竖直向下且有足够长度。现有一质量为m,电量为q的正电荷以垂直于电场方向的初速度v0进入电场,穿出电场区域时有一偏转角。若将电场改为宽度仍为l的匀强磁场,磁场方向垂直纸面向外,再次使该正电荷以相同的初速度v0进入磁场区域,且穿过磁场区域时偏转角相同。不计正电荷的重力,则正电荷穿出电场(或磁场)区域时的偏转角θ的正切函数tanθ的表达式为___________;该匀强磁场的磁感应强度B的表达式为___________。
正确答案
如图,质量m=5×10-8 kg的带电粒子以v0="2" m/s的速度从水平放置的平行金属板A、B中央飞入电场,已知板长L="10" cm,板间距离d="2" cm,当AB间加电压UAB=1.0×103 V时,带电粒子恰好沿直线穿过电场(设此时A板电势比B板电势高)。g=10m/s2。求:
(1)带电粒子的电性,电荷量为多少?
(2)A、B间所加电压在什么范围内带电粒子能从板间飞出?
正确答案
(1)负电荷 (2)200 V≤UAB≤1800 V
试题分析:(1)UAB=103 V时,粒子做直线运动,有q=mg,
C,
粒子带负电.
(2)当电压UAB比较大时,qE>mg,粒子向上偏,
当刚好能出去时,解之得U1="1800" V.
电压UAB比较小时,qE<mg,粒子向下偏,设刚好能从下板边缘飞出,有:
解之得U2="200" V.
则要使粒子能从板间飞出,A、B间所加电压的范围为200 V≤UAB≤1800 V.
点评:本题考查了经典的带电粒子场中的偏转问题,这类问题需要利用类平抛知识求解,即利用分解,将曲线运动分解成分方向的运动。
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