- 带电粒子在电场中的运动
- 共5409题
附加题:
一根对称的“八字”形玻璃管置于竖直平面内,如图所示.管所在的空间有竖直向下的匀强电场,电场强度E=1000N/C.重力G=1.0×10-3N,带电量Q=-2×10-6C的小物体在管内从A点由静止开始运动,它与管壁摩擦系数为0.5,管长AB=BC=3m,管的B处为一极短的光滑圆弧,管AB和BC与水平方向所夹的角度皆为37°,问:
(1)小物体最终静止在何处?
(2)从A开始计算时,小物体运动的总路程是多少?
正确答案
(1)经对小球受力分析可知,小球由A到B,作匀加速运动;由B到C,作匀减速运动.由于有机械能损失,到不了C点就停止,接着返回作匀加速运动,过B点又作匀减速动,…最后停在B点.
(2)由题意可知,L=AB=BC=3m,μ=0.5.对全过程,有重力做功和电场力做功,由动能定理有:
(qE-mg)Lsin37°-μ(qE-mg)Scos37°=0
代入数据解得:S=4.5m
答:(1)小物体最终静止在B点.
(2)从A开始计算时,小物体运动的总路程是4.5m
如图所示,水平放置的两平行金属板间距为 d,电压大小为U,上板中央有孔,在孔正下方的下板表面上有一个质量为 m、、电量为-q的小颗粒,将小颗粒由静止释放,它将从静止被加速,然后冲出小孔,则它能上升的最大高度 h=______.
正确答案
从小颗粒由静止释放到最高点过程,根据动能定理得
qU-mg(d+h)=0
解得,h=-d
故答案为:-d
如图所示,一平行板电容器水平放置,板间距离为d,上极板开有一小孔,三个质量均为m、带电荷量均为+q的带电小球,其间用长为L的绝缘轻轩相连,处于竖直状态,已知 d=3L今使下端小球恰好位于小孔中,且由静止释放,让三球竖直下落.当下端小球到达下极板时,速度恰好为零. 试求:
(1)两极板间的电压
(2)小球运动的最大速度.
正确答案
(1)从开始到下端小球到达下极板,应用动能定理得:
3mgd-Eqd-Eq(d-L)-Eq(d-2L)=0 …(1)
d=3L …(2)
而E=…(3)
联立解得 U=
(2)当合力为零速度最大,即3mg=EQ
由(2)(3)(4)得:E=
联立以上两式得 Q=2q
所以第二小球进入电场时速度最大,根据动能定理得
3mgL-qEL=•3m
解得,vm=
答:
(1)两极板间的电压为.
(2)小球运动的最大速度为.
一平行板电容器的两个极板ab、cd正对竖直放置,如图所示,极板长为L.现有一电荷量大小为q、质量为m的带电质点P自紧靠ab板内侧的某点以大小为v的初速度竖直向上射出,然后以速度v从cd板的上端c处水平进入cd板右侧的正交电场、磁场中并恰好做匀速圆周运动;当带电质点P运动到cd板上小孔O处时,有另一带电质点Q由静止释放,P、Q两带电质点在小孔处发生正碰,已知Q的质量为m/3,碰撞前Q的电性与P相同且电荷量大小为q/2,碰撞后Q运动到ab板内侧的最下端b处时仍以大小为v的速度竖直离开电容器.忽略平行板电容器两端电场的边缘效应.求:
(1)电容器两板间的电场强度大小;
(2)磁场的磁感应强度大小;
(3)带电质点P最后离开平行板电容器时的速度大小.
正确答案
(1)设P从出发点运动至c阶段运动的时间为t.
其中水平加速度为ax,则在水平方向上有:ax=…①
v=axt=t…②
在竖直方向上有:0-v=-gt…③
t=…④
联立①②③得:E=…⑤
(2)设电容器两极板间的距离为d.
对P从出发点至c阶段,在水平方向上有:d=t…⑥
联立④⑥解得d=…⑦
设在正交电场、磁场中质点P做匀速圆周运动的半径为R,则qvB=m
R=…⑧
又2R+d=l… ⑨
联立⑦⑧⑨得:B=.
(3)设P、Q碰撞后的速度分别为v1、v2.
由动量守恒定律得,mv=mv1+v2
设碰撞后P、Q带电量大小分别为q1、q2,则q1+q2=q
碰撞后Q在水平方向上有:d=t
可得:v2=v,v1=v
0-v22=-2d
得q1=q,q2=
.
则碰撞后P在水平方向上的加速度ax==
g.
它在电容器中间运动的时间仍为t,设P射出电容器时其水平速度为vx,
则vx=v1-axt=-v
则P射出电容器时的速度为vp,
vp==
v.
答:(1)电容器两板间的电场强度为
(2)磁场的磁感应强度大小为
(3)带电质点P最后离开平行板电容器时的速度大小为v.
如图所示,abcd是一个正方形盒子.cd边的中点有一个小孔e.盒子中有沿ad方向的匀强电场.一个质量为m带电量为q的粒子从a处的小孔沿ab方向以初速度v0射入盒内,并恰好从e处的小孔射出.(忽略粒子重力)求:
(1)该带电粒子从e孔射出的速度大小.
(2)该过程中电场力对该带电粒子做的功.
(3)若正方形的边长为l,试求该电场的场强.
正确答案
如图所示,两平行金属板水平放置,板间存在竖直向下的勻强电场.一带电粒子以初速度V0沿上板边缘垂直于电场线射入匀强电场,它刚好贴着下板边缘飞出.已知匀强电场两极板长L,间距为d,(粒子的重力忽略不计)求:
(1)如果带电粒子的初速度变为2V0,则离开电场时,沿场强方向的侧向位移y为多少?
(2)如果带电粒子的初速度变为2V0,粒子离开电场后继续运动,当它的竖直位移仍为d时,它的水平位移x为多少?
(3)如果带电粒子的初速度变为2V0,粒子离开电场时动能与带电粒子以初速度V0射入匀强电场后离开电场时动能之比?
正确答案
(1)带电粒子的初速度为v0时,
水平方向:L=v0t1 竖直方向:d=a
联立得到,d=a(
)2
带电粒子的初速度变为2V0时,
水平方向:L=2v0t2 竖直方向:y=a
联立得到,y=a(
)2=
d
(2)带电粒子的初速度变为2v0,粒子离开电场时速度的偏向角为φ.根据推论可知,粒子离开电场时速度的反向延长线交于上板的中点.则根据几何知识有
tanφ==
,又tanφ=
解得 LAB=2L
所以x=0.5L+LAB=2.5L
(3)根据动能定理得,
由第(1)问d=a(
)2,a=
得
联立解得:=
答:
(1)带电粒子的初速度变为2V0,离开电场时,沿场强方向的侧向位移y为d.
(2)带电粒子的初速度变为2V0,粒子离开电场后继续运动,当它的竖直位移仍为d时,它的水平位移x为2.5L.
(3)如果带电粒子的初速度变为2V0,粒子离开电场时动能与带电粒子以初速度V0射入匀强电场后离开电场时动能之比=
.
如图所示,质量为m,带电量为+q的微粒在0点以初速度v0与水平方向成θ 角射出,微粒在运动中受阻力大小恒定为f.
①如果在某方向加上一定大小的匀强电场后,能保证微粒仍沿u方向做直线运动,试求所加匀强电场的最小值?
②若加上大小一定,方向水平向左的匀强电场,仍能保证微粒沿vo方向做直线运动,并经过一段时间后又返回o点,求微粒回到o点时的速率?
正确答案
(
1)微粒受力如图所示,要保证微粒沿vo方向直线运动必须使垂直于vo方向斜上方加匀强电场,E有最小值,且Eq=mgcosθ,E=.
(2)如图所示,为使垂直于v0方向合力为零,Eqsinθ=mgcosθ.设微粒最大位移为S,由动能定理
-(mgsinθ+qEcosθ+f)S=0-m
粒子由O点射出再回到O点整个过程,由动能定理
-2fS=mv2-
m
.
解上述方程得
v=v0.
答:
①如果在某方向加上一定大小的匀强电场后,能保证微粒仍沿u方向做直线运动,所加匀强电场的最小值为E=.
②微粒回到O点时的速率为v=v0.
如图甲所示,真空中两水平放置的平行金属板C、D,上面分别开有正对的小孔O1、O2,金属板C、D接在正弦交流电源上,两板C、D间的电压Ucd随时间t变化的图象如图乙所示,t=0时刻开始,从小孔O1处不断飘入质量 m=3.2×10-25kg、电荷量q=1.6×10-19 c的带正电的粒子(设飘入速度很小,可视为零),在D板外侧有以MN为边界的匀强磁场,与金属板相距d=10cm,匀强磁场的磁感应强度大小B=0.1T,方向如图甲所示,粒子的重力及粒子之间的相互作用力不计.平行金属板C、D之间的距离足够小,粒子在两板间的运动时间可以忽略不计,求:
(1)带电粒子经小孔O2进入磁场后能飞出磁场边界的最小速度为多大?
(2)从0到0.04末的时间内,哪些时刻飘入小孔O1的粒子能穿过电场并飞出磁场边界?
(3)磁场边界有粒子射出的长度范围.(保留一位有效数字)
正确答案
(1)设带电粒子进入磁场后能飞出磁场边界的最小速度为V0.
粒子在磁场做匀速圆周运动,轨迹与边界MN相切时,粒子恰好飞出MN,对应的速度最小.由几何知识得到此时轨迹半径为R=d
根据牛顿第二定律得:qV0B=
∴V0=5×103 m/s
(2)设恰能飞出磁场边界MN的粒子在电场中运动时板D、C间对应电压为U0,对于电场加速过程,根据动能定理得:
qU0=mv2
得 U0=25 V
由图象可知,25 V电压对应的时刻分别为秒和
秒,故粒子能飞出磁场边界的时间为:
秒-
秒.
(3)设粒子的最大速度vm
则 qνm=mvm2
又qνmB=m
粒子飞出磁场相对小孔向左偏移的最小距离为x
x=Rm-=0.04m
∴磁场边界有粒子射出的长度范围为△x=d-x=0.06m
答:
(1)带电粒子经小孔O2进入磁场后能飞出磁场边界的最小速度为5×103 m/s.
(2)从0到0.04末的时间内,秒-
秒时刻飘入小孔O1的粒子能穿过电场并飞出磁场边界.
(3)磁场边界有粒子射出的长度范围为0.06m.
如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)设电子经电压U1加速后的速度为v0,由动能定理
e U1=m
-0
解得 v0=
(2)电子以速度v0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
沿初速方向匀速直线运动,有 L=v0t
垂直初速方向,有 y=at2
又电场力 F=eE=e
根据F=ma,得加速度为 a=
解得 y=
(3)要使电子打在P点上方,需增大侧移量,由解得 y=知,可以减小加速电压U1;增大偏转电压U2
所以,(1)电子穿过A板时速度的大小为
(2)侧移量为
(3)可以减小加速电压U1或增大偏转电压U2
如图所示,一摆球的质量为m,带正电荷,电量为q,摆长为L,场强E=,水平向右,摆球平衡位置在C点,与竖直夹角为θ,开始时在水平位置A点,无初速释放,求摆球在C点时的速度及摆线的拉力.
正确答案
电场力F=qE=mg,水平向右,重力与电场力合力F合=mg,沿OC方向
θ=45°
设最低点为B,小球沿直线AB到B点速度VB.
mgL+qEL=mVB2
细绳绷紧,VB竖直分量立刻减为零,水平分量V1=VBcos45°
由B到C过程中运用动能定理得:
qELsinθ-mg(L-Lcosθ)=mV2C-
mV12
解得摆球在C点速度VC=
根据牛顿第二定律得:
在C点:T-mg=m
解出在C点绳子拉力T=3mg
答:摆球在C点时的速度是,摆线的拉力是3
mg.
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