- 带电粒子在电场中的运动
- 共5409题
如图所示,xoy平面内,在轴左侧某区域内有一个方向竖直向下,水平宽度为,电场强度为
的匀强电场。在y轴右侧有一个圆心位于x轴上,半径为
的圆形磁场区域,磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度
,在坐标为
处有一垂直于x轴的面积足够大的荧光屏PQ。今有一束带正电的粒子从电场左侧沿+x方向射入电场,穿出电场时恰好通过坐标原点,速度大小为
,方向与x轴成30°角斜向下。若粒子的质量
,电量为
,不计重力。试求:
(1)粒子射入电场时的位置坐标和初速度;
(2)若圆形磁场可沿x轴移动,圆心O'在x轴上的移动范围为,由于磁场位置的不同,导致该粒子打在荧光屏上的位置也不同,试求粒子打在荧光屏上的范围。
正确答案
解:(1)粒子沿+x方向进入电场后做类平抛运动,在O点将v沿x、y方向分解得
,
粒子在电场中做类平抛运动:
所以粒子射入电场时的坐标位置为
(2)洛仑兹力提供向心力,则
由几何关系知此时出射位置为D点,轨迹如图
荧光屏最高端的纵坐标为:
随着磁场向右移动荧光屏光点位置逐渐下移,当v方向与磁场圆形区域相切,此后,粒子将打在荧光屏的同一位置。其最低端的纵坐标为:
如图(a)所示,在直角坐标系0≤x≤L区域内有沿y轴正方向的匀强电场,右侧有一个以点(3L,0)为圆心,半径为L的圆形区域,圆形区域与x轴的交点分别为M、N。现有一质量为m,带电量为e的电子,从y轴上的A点以速度v0沿x轴正方向射入电场,飞出电场后恰能从M点进入圆形区域,速度方向与x轴夹角30°,此时圆形区域加如图(b)所示周期性变化的磁场(磁场从t=0时刻开始变化,且以垂直于纸面向外为正方向),最后电子运动一段时间后从N点飞出,速度方向与x轴夹角也为30°。求:
(1)电子进入圆形区域时的速度大小;
(2)0≤x≤L区域内匀强电场的场强大小;
(3)写出圆形区域磁场的变化周期T、磁感应强度B0的大小各应满足的表达式。
正确答案
解:(1)电子在电场中作类平抛运动,射出电场时,如图1
由速度关系:
解得
(2)由速度关系得
在竖直方向,
解得
(3)在磁场变化的半个周期内粒子的偏转角为60°(如图)所以,在磁场变化的半个周期内,粒子在轴方向上的位移等于。粒子到达N点而且速度符合要求的空间条件是:
电子在磁场作圆周运动的轨道半径
得
若粒子在磁场变化的半个周期恰好转过圆周,同时MN间运动时间是磁场变化半周期的整数倍时,可使粒子到达N点并且速度满足题设要求。应满足的时间条件:
,
代入的表达式得:
实验表明,炽热的金属丝可以发射电子,在图中,从炽热金属丝射出的电子流,经电场加速后进入偏转电场。已知加速电极间的电压是2 500 V,偏转电极间的电压是2.0 V,偏转电极长6.0 cm,相距0.2 cm,电子的质量是0.91×10-30 kg,电子重力不计。求:
(1)电子离开加速电场时的速度;
(2)电子离开偏转电场时的侧向速度;
(3)电子离开偏转电场时侧向移动的距离。
正确答案
解:(1)由得
(2)由得
(3)由得
如图所示为一空间直角坐标系xoy,在oy和MN之间的区域内,有宽度为d、沿y轴正方向的匀强电场,电场强度为E。有一质量为m、电量为e的电子,由静止开始经过另一电势差为U的电场加速后,从轴上的P点(坐标0、h),沿x轴正方向射入电场(电子重力不计)。
(1)求电子能够从x轴上方飞离电场区域,加速电场的电势差U应满足什么条件?
(2)若电子从右边界MN上某点射出后,运动到x轴上的Q点,求Q点的横坐标。(加速电压U已知)
正确答案
解:(1)电子经加速后,到达P点的速度为,由动能定理
电子在电场中做类平抛运动,则有
解得
若电子能够从轴上方飞离电场区域,则
综上解得: 即为所求
(2)电子从MN上某点射出时,速度v的方向与水平方向成角
设NQ的长度为,
则Q的横坐标
解得
如图所示,一质量为m、电荷量为+q的粒子,以速度v0从O点沿y轴正方向射入磁感应强度为B的圆形匀强磁场区域,磁场方向垂直纸面向外,粒子飞出磁场区域后,从b处穿过x轴进入场强为E、方向与x轴负方向成60°角斜向下的匀强电场中,速度方向与x轴正方向的夹角为30°,经过一段时间后恰好通过b点正下方的c点,粒子的重力不计。试求:
(1)圆形匀强磁场的最小面积;
(2)c点到b点的距离d。
正确答案
解:(1)粒子在磁场中做匀速圆周运动,由qBv0=m,得R=
粒子经过磁场区域速度偏转角为120°,这表明在磁场区域中运动轨迹为半径为R的圆弧,作出粒子运动轨迹如图中实线所示。所求圆形磁场区域的最小半径为
面积为S=πr2=
(2)粒子进入电场做类平抛运动,从b到c垂直电场方向位移为x′=v0t ①
沿电场方向位移为y′=at2=
②
=tan30° ③
解方程①②③得x′=,y′=
d=
如图所示,MN、PQ是平行金属板,板长为L,两板间距离为,PQ板带正电,MN板带负电,在PQ板的上方有垂直纸面向里的匀强磁场。一个电荷量为q、质量为m的带负电粒子以速度v。从MN板边缘沿平行于板的方向射入两板间,结果粒子恰好从PQ板左边缘飞进磁场,然后又恰好从PQ板的右边缘飞进电场。不计粒子重力。求:
(1)两金属板间所加电场的场强大小;
(2)匀强磁场的磁感应强度B的大小。
正确答案
解:(1) 设带电粒子在平行金属板匀强电场中运动的时间为t,由类平抛运动可知:
L=v0t
=
at2
a=
联立求解可得:E=
(2) 带电粒子以速度v飞出电场后射入匀强磁场做匀速圆周运动,由
qvB=m
sinθ=
sinθ=
vy=at
联立求解可得:B=
如图所示,在平面直角坐标系中,第一象限存在沿轴负方向的匀强电场,第四象限存在垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度= 0/.一质量为、电荷量为的带正电粒子从轴正半轴上的点以速度0垂直于轴射入电场,经轴上点与轴正方向成θ=60°角射入匀强磁场中,最后从轴负半轴某一点射出,已知点坐标为(0,3),不计粒子重力,求:
(1)匀强电场的电场强度和粒子到N点的速度;
(2)粒子在磁场中运动的轨道半径和粒子打在点的坐标;
(3)粒子从进入点运动到点所用的总时间.
正确答案
解:
且
则,
(2)由则
打在 轴负半轴的坐标(0,-2L)
(3)在电场中运动时间为
如图所示,竖直放置的两块很大的平行金属板a、b,相距为d,ab间的电场强度为E,今有一带正电的微粒从a板下缘以初速度v0竖直向上射入电场,当它飞到b板时,速度大小不变,而方向变为水平方向,且刚好从高度也为d的狭缝穿过b板而进入bc区域,bc区域的宽度也为d,所加电场大小为E方向竖直向上,磁感强度方向垂直纸面向里,磁场大小等于E/v0。求:
(1)粒子在ab区域的运动时间?
(2)粒子在bc区域的运动时间?
正确答案
解:(1)在ab区域做匀变速曲线运动,水平方向匀加速直线
,
,
竖直方向匀减速直线
,
,
,
解得:,
或
(2)在bc区域,
,所以粒子做匀速圆周运动
由,
,
得
由几何关系得
由,
,
,
得
所以或
如图所示,在平面的第一象限和第二象限区域内,分别存在场强大小均为E的匀强电场Ⅰ和Ⅱ,电场Ⅰ的方向沿x轴正方向,电场Ⅱ的方向沿y轴的正方向。在第三象限内存在着垂直于平面的匀强磁场Ⅲ,Q点的坐标为(-x0,0)。已知电子的电量为-e,质量为m(不计电子所受重力)。
(1)在第一象限内适当位置由静止释放电子,电子经匀强电场Ⅰ和Ⅱ后恰能透过Q点。求释放点的位置坐标x、y应满足的关系式;
(2)若要电子经匀强电场Ⅰ和Ⅱ后过Q点时动能最小,电子应从第一象限内的哪点由静止释放?求该点的位置和过Q点时的最小动能;
(3)在满足条件(1)的情况下,若想使电子经过Q后再次到达y轴时离坐标原点的距离为x0,求第三象限内的匀强磁场的磁感应强度B的大小和方向。
正确答案
解:(1)设电子从第一象限内坐标为(x,y)处由静止释放能过Q点,到达y轴时的速度为
由动能定理得:①
若能到达Q点,则应满足:②
③
④
联立①②③④得:⑤
(2)由动能定理得:电子从P点由静止释放,经匀强电场I和Ⅱ后过Q点时动能:⑥
而(当
时取“=”)⑦
由⑤⑥⑦得:(当
时取“=”)⑧
所以电子从第一象限内的P(,
)点由静止释放过Q点时动能最小,过Q点时的最小动能是
(3)若匀强磁场Ⅲ方向垂直纸面向里,则电子左偏,不会再到达y轴,所以匀强磁场方向垂直纸面向外。运动轨迹如图,则:
而
在满足条件(2)的情况下
所以=45°⑨
设在匀强磁场Ⅲ中做匀速圆周运动的半径为r,到达y轴上的A点,结合题中条件可推知,电子在磁场中运动的轨迹应为以QA为直径的半圆,OA=x0,由几何知识知:⑩
设到达Q点的速度为,则
解得:
根据牛顿第二定律得:
解得:
把和r的值代入,第三象限内的匀强磁场的磁感应强度
两块金属a、b平行放置,板间存在与匀强电场正交的匀强磁场,假设电场、磁场只存在于两板间的空间区域。一束电子以一定的初速度v0从两极板中间,沿垂直于电场、磁场的方向射入场中,无偏转地通过场区,如图所示。已知板长l=10cm,两板间距d=3.0cm,两板间电势差U=150V,v0=2.0×107m/s。求:
(1)求磁感应强度B的大小;
(2)若撤去磁场,求电子穿过电场时偏离入射方向的距离,以及电子通过场区后动能增加多少?(电子所带电荷量的大小与其质量之比,电子电荷量的大小e=1.60×10-19 C)
正确答案
解:(1)电子进入正交的电磁场不发生偏转,则满足
(2)设电子通过场区偏转的距离为y1
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