- 带电粒子在电场中的运动
- 共5409题
如图,一个电子以速度v0=6.0×106m/s和仰角α=45°从带电平行板电容器的下板边缘向上板飞行。两板间场强E=2.0×104V/m,方向自下向上。若板间距离d=2.0×10-2m,板长L=10cm,问此电子能否从下板射至上板?它将击中极板的什么地方?
正确答案
见解析
【错解分析】错解:规定平行极板方向为x轴方向;垂直极板方向为y轴方向,将电子的运动分解到坐标轴方向上。由于重力远小于电场力可忽略不计,则y方向上电子在电场力作用下做匀减速运动,速度最后减小到零。
∵vt2-v02=2as y=d=s vt=0
即电子刚好击中上板,击中点离出发点的水平位移为3.99×10-2(m)。
错解中,令来求加速度。这就意味着y方向的位移已经假定为d,(击中了上板)再求y为多少,就犯了循环论证的错误,修改了原题的已知条件。
【正解】应先计算y方向的实际最大位移,再与d进行比较判断。
在y方向的最大高度为
由于ym<d,所以电子不能射至上板。
【点评】因此电子将做一种抛物线运动,最后落在下板上,落点与出发点相距1.03cm。
斜抛问题一般不要求考生掌握用运动学方法求解。用运动的合成分解的思想解此题,也不是多么困难的事,只要按照运动的实际情况把斜抛分解为垂直于电场方向上的的匀速直线运动,沿电场方向上的坚直上抛运动两个分运动。就可以解决问题。
将带电量为l×10-8C的正电荷a,从无限远处的P点移到电场中的A点,要克服电场力做功1×10-6J.若取无限远处为电势零点,问:
(1) 电荷a的电势能是增加还是减少? 电荷a在A点具有多少电势能?
(2) A点的电势是多少?
(3) 若仅靠电场力可以把带电量为2×10-8C的电荷b从无限远处移到电场中的A点,说明电荷b带正电还是带负电? 电场力做了多少功?
正确答案
(1)电势能增加 (2分) EPA=1×10-6J (2分)
(2)ΦA="100V " (6分=4+2)
(3)带负电 (2分) W=2×10-6J (4分)
略
带等量异种电荷的两平行金属板相距L,板长H,竖直放置,x轴从极板中点O通过,如图20所示。板间匀强电场的场强为E,且带正电的极板接地。将一质量为m、电量为+q的粒子(重力不计)从坐标为x0处释放。
小题1:试从牛顿第二定律出发,证明该带电粒子在极板间运动的过程中,电势能与动能总和保持不变。
小题2:为使该粒子从负极板上方边缘的P点射出,须在x0处使该粒子获得竖直向上的初速度v0为多大?
正确答案
小题1:直接参照解析
小题2:
小题1:在带电粒子运动方向上任取一点,设其坐标为,取接地极板为零势能点。将粒子从O点移到
处电场力做正功,
,即粒子在x处的电势能为
,在
处的电势能为
。
再由牛顿第二定律①,
②,解得
③,又
④,
⑤,
,得
⑥,即该带电粒子在极板间运动的过程中,电势能与动能总和保持不变,证毕。
小题2:粒子在竖直向上射出后做类平抛运动。故竖直方向做匀速直线运动,到达P点时有⑦;水平方向做初速度为零的匀加速运动,有
⑧,联立解得
如图所示,坐标系xOy所在的竖直面内,有垂直平面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B,在x<0的空间内,还有沿x轴负方向的匀强电场,场强为E.一个带正电的油滴经图中x轴上的M点沿着与水平方向成α=30°的方向斜向下做直线运动,直到进入x>0的区域.要使油滴在x>0的区域在竖直面内做匀速圆周运动,并通过x轴上的N点,且,则:
小题1:带电粒子运动的速率为多少?
小题2:在x>0的区域需加电场的大小、方向?
小题3:粒子从M点到N点所用的时间为多少?
正确答案
小题1:
小题2:E竖直向上电场
小题3:
略
如图,在厚铅板A表面中心放置一很小的放射源,可向各个方向放射出速率为v0的α粒子(质量为m、电荷量为+q),在金属网B与A板间加有竖直向上的匀强电场,场强为E;A与B间距为d,B网上方有一很大的荧光屏M,M与B间距为L. 当有α粒子打在荧光屏上时就能使荧光屏产生一闪光点,整个装置放在真空中,不计重力的影响。试分析:
(1)打在荧光屏上的α粒子具有的动能有多大?
(2)荧光屏上闪光点的圆形范围的半径有多大?
(3)在实际应用中,往往是放射源射出的α粒子的速率未知。请设计
一个方案,用本装置来测定α粒子的速率。
正确答案
(1)由
得:
(2)电场强度大小为:
所受电场力为:
而重力大小为:
所以小球受到合力为:
与AD边所成角度的正切值为,即平行于BO方向由B指向O
所以从O点打出的小球要经过B,必然沿OB方向(或写边出与AD边所成角度的三角函数值)
要能到达B点,其初速度应满足的条件是:
而加速度为
所以:
略
粒子和质子以相同速度垂直于电场线进入两平行板间匀强电场中,设都能飞出电场,则它们离开匀强电场时,侧向位移之比y:yH= ,动能增量之比
= 。
正确答案
1:2 1:1
试题分析:带电粒子在两平行板间匀强电场中做类平抛运动,由平抛运动的规律计算侧向位移,得到侧向位移之比;由动能定理得到动能的增加量和动能增量之比。
设两平行板长为L,匀强电场场强为E,粒子和质子以相同速度垂直于电场线进入两平行板间匀强电场中,做类平抛运动,垂直于电场线方向做匀速直线运动则:
,沿电场线方向做初速度为零的匀加速直线运动则:
,由牛顿第二可知
,则离开匀强电场时的侧向位移为:
可得
,
,则有
;由动能定理有:
可得
,
,则有
点评:偏转问题的分析处理方法类似于平抛运动的分析处理,应用运动的合成和分解的方法。沿初速度方向为匀速直线运动,沿电场力方向为初速度为零的匀加速度直线运动。把电场力看做一个普通的力,应用力学规律分析求解,这类问题就显得简单而熟悉。
如图所示,在a、b两端有直流恒压电源,输出电压恒为Uab,R2=40Ω,右端连接间距d=0.04m、板长l=10cm的两水平放置的平行金属板,板间电场视为匀强电场。闭合开关,将质量为m=1.6×10-6kg、带电量q=3.2×10-8C的微粒以初速度v0=0.5m/s沿两板中线水平射入板间。当滑动变阻器接入电路的阻值为15Ω时,微粒恰好沿中线匀速运动,通过电动机的电流为0.5A。已知电动机内阻R1=2Ω,取g=10m/s2。试问:
小题1:输出电压为Uab是多大?
小题2:在上述条件下,电动机的输出功率和电源的输出功率?
小题3:为使微粒不打在金属板上,R2两端的电压应满足什么条件?
正确答案
小题1:35V
小题2:35W
小题3:18V<U2<22V
(1) 有qU1/d="mg----" ---- ①
U1=20V
滑动变阻器两端电压U2=I总R滑---- ---- ②
I总=I1+I2="1A----" ----③
电源电压: U=U1+U2=35V
(2)P出=P总-I2R1---- ----④
=UI-I2R1
=17W
P电=I总U="35W----" ----⑤ ( 8分)
(3)(2)因上极板带正电,故粒子带负电
粒子穿过板的时间t==0.2s ---- -----⑥
当粒子刚从下极板穿出时:---- ----⑦
而:E= 联立解得:U="18V " ---- ----⑧
同理有: 而:E=
联立解得:U="22V " ---- ----⑨
故R2两端的电压应满足的条件是:18V<U2<22V ⑩(11分)
(10分)一束电子流在U1=500V的电压作用下得到一定速度后垂直于平行板间的匀强电场飞入两板间的中央,如图14所示.若平行板间的距离d=1cm,板长l=5cm,求:
(1)电子进入平行板间的速度多大?
(2)至少在平行板上加多大电压U2才能使电子不再飞出平行板?(电子电量1.6×10-19C,电子的质量9×10-31kg)
正确答案
(1)1.3×107m/s (2)400V
略
如图所示,带等量异种电荷的两块相互平行的金属板AB、CD,长都为L,两板间距为d,其间为匀强电场.当两板间电压为U0时,有一质量为m、带电量为q的质子紧靠AB板的上表面以初速度v0射入电场中,设质子运动过程中不会和CD板相碰,不计质子重力。求:
(1)当时,质子在垂直于极板方向的位移多大?
(2)当时,突然改变两金属板带电性质,且两板间电压仍为U0,则质子飞出电场时在垂直于极板方向的总位移又是多大?
正确答案
(1)
(2)
本题考查带电粒子在电场中的偏转,为类平抛运动,在垂直电场方向粒子做匀速直线运动,在沿着电场线方向粒子做匀变速直线运动,质子进入电场的加速度为,当
时,质子在竖直方向的位移为
,改变两极板的极性后,质子在竖直方向上的加速度为
,y方向运动有:
,一次可得两种情况竖直位移之比为1:2,所以
一束电子流在U1=500V的电压作用下加速度后垂直于平行板间的匀强电场飞入两板间的中央,如图所示。若平行板间的距离d=1cm,板长l=5cm,求:至少在平行板上加多大电压U2才能使电子不再飞出平行板?
正确答案
电子经U1加速时,电场力做正功,根据动能定理可得
电子飞入平行板电场后做类似平抛运动,在水平方向电子做匀速直线运动,最大运动时间
t=L/v0
在竖直方向电子做初速为零的匀加速运动,其加速度为
a=eU2/md
根据运动学公式
d/2=at2/2
由以上各式解得: U2="2U1" d2/L2= 40V
略
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