- 带电粒子在电场中的运动
- 共5409题
一束质子流经U1=5000V的加速电压加速后,沿两板中线进入平行板间的匀强电场并刚好从下板边缘飞出,如图所示,已知两板间距d=1.0cm,板长L=5.0cm,质子的电量q=1.6×10-19C,质子的质量m≈1.6×10-27kg,求:
(1)质子进入平行板时的动能是多少;
(2)两个极板上所加的电压U2是多大;
(3)如果在两极板间加一个垂直纸面的磁场,质子恰好能沿直线飞出,求所加磁场的方向和磁感应强度的大小.
正确答案
解:(1)对直线加速过程,由动能定理,有:
…①
(2)在偏转电场中,质子做类似平抛运动,根据类似平抛运动的分位移公式,有:
…②
解得:
…③
(3)质子恰好能沿直线飞出,故磁场的方向应垂直纸面向里,故:
…④
联立①③④解得:
答:(1)质子进入平行板时的动能是8×10-16J;
(2)两个极板上所加的电压U2是400V;
(3)所加磁场的方向和磁感应强度的大小为0.04T.
解析
解:(1)对直线加速过程,由动能定理,有:
…①
(2)在偏转电场中,质子做类似平抛运动,根据类似平抛运动的分位移公式,有:
…②
解得:
…③
(3)质子恰好能沿直线飞出,故磁场的方向应垂直纸面向里,故:
…④
联立①③④解得:
答:(1)质子进入平行板时的动能是8×10-16J;
(2)两个极板上所加的电压U2是400V;
(3)所加磁场的方向和磁感应强度的大小为0.04T.
如图,两平行金属板间有一竖直方向的匀强电场,板长为L,板间距离为d,在距离板的右端4L处有一竖直放置的光屏M,一带电量为q、质量为m的质点从两板中央射入板间,最后垂直打在M屏上,则下列结论正确的是( )
正确答案
解析
解:A、据题分析可知,质点在平行金属板间轨迹应向上偏转,做类平抛运动,飞出电场后,做斜抛运动,质点的轨迹向下偏转,质点才能最后垂直打在M屏上,前后过程在竖直方向上运动的vy大小相等,而水平方向质点始终做匀速直线运动,所以两个过程中时间之比为1:4,根据vy=at可见两次偏转的加速度之比为4:1,根据牛顿第二定律得,qE-mg=4mg,得到E=故AC正确,B错误;
D、第一次偏转质点做类平抛运动的末速度是第二次斜向上抛运动的初速度,而第二次斜向上抛运动的末速度等于第一次偏转的初速度,所以两个过程中速度变化的大小相等,方向不同,故D错误.
故选AC
如图所示,A、B是一对平行的金属板,在两板间加有一周期为T的交变电压u,A板的电势φA=0,B板的电势φB随时间的变化规律为:在0到
的时间内,φB=φ0(φ0为正的常数);在
到T的时间内,φB=-φ0;在T到
的时间内,φB=φ0;在
到2T的时间内,φB=-φ0…,现有一电子在t时刻从A极板附近由静止释放,不计重力,则下列判断错误的是( )
正确答案
解析
解:A、电子在t=0时刻进入时,在一个周期内,前半个周期受到的电场力向上,向上做加速运动,后半个周期受到的电场力向下,继续向上做减速运动,T时刻速度为零,接着周而复始,所以电子一直向B板运动,一定会打在B板上.故A正确;
B、若电子是在t=刻进入的,在
T~
,向上加速;
~
T,向上减速;
T~T,向下加速;T~
,向下减速,速度减小为零,完成一个周期的运动,接着周而复始,所以电子时而向B板运动,时而向A板运动,根据运动学规律可知,在一个周期内电子向B板运动的位移小于向A板运动的位移,所以电子最后一定不会打在B板上,而是从A板返回;故B错误;
C、若电子是在t=时刻进入时,在一个周期内:在
~
,电子受到的电场力向上,向B板做加速运动,在
T~
T内,受到的电场力向下,继续向B板做减速运动,
T时刻速度为零,
T~T接着向A板运动,T~
T时间内继续向A板运动,
T时刻速度为零,完成一个周期的运动,接着周而复始,所以电子时而向B板运动,时而向A板运动,根据运动学规律可知,在一个周期内电子向B板运动的位移大于向A板运动的位移,所以电子最后一定会打在B板上.故C正确;
C、若电子是在t=时刻进入的,在
~
阶段是向上加速;在
T~
T向上减速,末速度为零;在
T~T反向加速,T~
T反向减速,末速度为零,完成一个周期的运动,接着周而复始,所以电子时而向B板运动,时而向A板运动,以某一点为中心做往复运动,故D正确;
本题选错误的,故选:B.
如图所示,有三个质量相等,分别带正电,负电和不带电的小球,从上、下带电平行金属板间的P点.以相同速率垂直电场方向射入电场,它们分别落到A、B、C三点,则( )
正确答案
解析
解:A、B、C、在平行金属板间不带电小球、带正电小球和带负电小球的受力如下图所示:
三小球在水平方向都不受力,做匀速直线运动,由x=v0t,v0相等,则落在板上时,水平方向的距离x与下落时间t成正比,则知三小球在电场中运动时间为:tA>tB>tC.
由于竖直位移大小相同,根据h=at2,知三个球加速度的大小关系为:aA<aB<aC.合外力大小关系为:FA<FB<FC.故A球带正电,B球不带电,C球带负电,故A正确,BC错误;
D、根据动能定理,三小球到达下板时的动能等于这一过程中合外力对小球做的功.由受力图可知,带负电小球合力最大为G+F,做功最多动能最大,带正电小球合力最小为G-F,做功最少动能最小,即EC>EB>EA,故D错误.
故选:A
(2016•宜昌一模)如图所示,在竖直平面内固定的圆形绝缘轨道的圆心在O点、半径为r,内壁光滑,A、B两点分别是圆弧的最低点和最高点.该区间存在方向水平向右的匀强电场,一质量为m、带负电的小球在轨道内侧做完整的圆周运动(电荷量不变),经C点时速度最大,O、C连线与竖直方向的夹角θ=60°,重力加速度为g.
(1)求小球所受到的电场力大小;
(2)小球在A点速度v0多大时,小球经B点时对轨道的压力最小?
正确答案
解:(1)已知带电小球在光滑的竖直圆轨道内做完整的圆周运动,经C点时速度最大,因此,C点是竖直面内圆周运动的物理“最低点”,也就是小球在C点受力情况满足合外力完全充当向心力,如图
满足
因此电场力F=mgtan60°
即F=
(2)小球在轨道最高点B时的受力情况如图所示,
讨论:①若在B点时轨道对小球的压力最小等于零.半径方向的合外力为重力mg,在B点,根据圆周运动的条件可获得,
;得:
①
②若小球在D点时的轨道对小球的压力最小等于零
则D到B的过程中,重力和电场力做功:
得:,代入数据解得:
②
根据①②两种情况的讨论可知,小球在B点的最小速度为vB2;
小球从A到B过程中,只有电场力和重力做了功,又知A、B两点在同一等势面上,该过程电场力做功为0,根据动能定理可得:
③
联立以上②③两式可得.
答:(1)求小球所受到的电场力大小为;
(2)小球在A点速度时,小球经B点时对轨道的压力最小.
解析
解:(1)已知带电小球在光滑的竖直圆轨道内做完整的圆周运动,经C点时速度最大,因此,C点是竖直面内圆周运动的物理“最低点”,也就是小球在C点受力情况满足合外力完全充当向心力,如图
满足
因此电场力F=mgtan60°
即F=
(2)小球在轨道最高点B时的受力情况如图所示,
讨论:①若在B点时轨道对小球的压力最小等于零.半径方向的合外力为重力mg,在B点,根据圆周运动的条件可获得,
;得:
①
②若小球在D点时的轨道对小球的压力最小等于零
则D到B的过程中,重力和电场力做功:
得:,代入数据解得:
②
根据①②两种情况的讨论可知,小球在B点的最小速度为vB2;
小球从A到B过程中,只有电场力和重力做了功,又知A、B两点在同一等势面上,该过程电场力做功为0,根据动能定理可得:
③
联立以上②③两式可得.
答:(1)求小球所受到的电场力大小为;
(2)小球在A点速度时,小球经B点时对轨道的压力最小.
如图所示,相距为d的两块平行金属板M、N与电源相连,电键S闭合后,MN间有匀强电场,一个带电粒子(不计重力),以速度v0垂直电场方向从M板边缘射入电场,恰打在N板中央.求:
(1)为使带电粒子能刚好飞出电场,N板应向下移动多少?
(2)若把S打开,为达到上述目的(刚好飞出电场),N板应向下移动多少?
正确答案
解:(1)设板长为L,打在板中点时间为t,
则有:,
而d=;
当刚好飞出时,设N板向下移动x,
则有:d+x=;
因a1=
;
综合上式,解得:;
所以:x=d;
(2)当刚好飞出时,设N板向下移动x1;
则有:
由E=,而U=
与C=
,可得:E=
,
因Q的不变,且ɛs的不变,则E不变,则加速度不变,即为a1=a3;
则有:;
解得:x1=3d;
答:(1)为使带电粒子能刚好飞出电场,N板应向下移动d;(2)若把S打开,为达到上述目的(刚好飞出电场),N板应向下移动3d.
解析
解:(1)设板长为L,打在板中点时间为t,
则有:,
而d=;
当刚好飞出时,设N板向下移动x,
则有:d+x=;
因a1=
;
综合上式,解得:;
所以:x=d;
(2)当刚好飞出时,设N板向下移动x1;
则有:
由E=,而U=
与C=
,可得:E=
,
因Q的不变,且ɛs的不变,则E不变,则加速度不变,即为a1=a3;
则有:;
解得:x1=3d;
答:(1)为使带电粒子能刚好飞出电场,N板应向下移动d;(2)若把S打开,为达到上述目的(刚好飞出电场),N板应向下移动3d.
若质子H和ɑ粒子以相同的速度垂直进入同一偏转电场,出电场时,它们的偏转角的正切之比tgφH:tgφa=______,若它们从静止开始经同一加速电场加速后,垂直进入同一偏转电场,出电场时,偏转角正切之比tgφ′H:tgφ′a=______.
正确答案
2:1
1:1
解析
解:对于任意一个电荷量为q,质量为m的带电粒子垂直进入偏转电场时,做类平抛运动,则得:
垂直于电场方向有:t=
平行于电场方向有:vy=at,a=
偏转角的正切为 tanφ=
联立以上各式得:tanφ=∝
质子H和ɑ粒子比荷之比为:2:1,则得:tgφH:tgφα=2:1.
若带电粒子从静止开始经同一加速电场加速后,垂直进入同一偏转电场,则有:
加速电场中,由动能定理得:
qU1=
在偏转电场中:
平行于极板方向:l=v0t
垂直于极板方向:vy=at,a==
偏转角的正切为 tanφ=
联立以上各式得:tanφ=,可见,偏转角的正切与电荷的质量和电量无关,所以有:
tgφ′H:tgφ′α=1:1.
故答案为:2:1,1:1.
示波器是一种电子仪器,用它来观察电信号随时间变化的情况.示波器的核心部件是示波管,由电子枪、偏转电极和荧光屏组成,其原理图如图甲所示,图乙是从右向左看到的荧光屏的平面图.在偏转电极XX′、YY′上都不加电压时,电子束将打在荧光屏的中心点.下列有关运用偏转电场实现对电子束的控制的方法:
①让亮斑沿OY向上移动,在偏转电极YY′加电压,且Y′比Y电势高;
②让亮斑移到荧光屏的左上方,在偏转电极XX′、YY′加电压,且X比X′电势高、Y比Y′电势高;
③让荧光屏上出现一条水平亮线,只在偏转电极XX′上加特定的周期性变化的电压(扫描电压);
④让荧光屏上出现正弦曲线,在偏转电极XX′上加适当频率的扫描电压、在偏转电极YY′上加按正弦规律变化的电压;
以上说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:①电子枪发射出电子,要想让亮斑沿OY向上移动,电子在YY′中受到的电场力必须向上,板间场强必须向下,则需在偏转电极YY′上加电压,且Y比Y′电势高.故①错误;
②要想让亮斑移到荧光屏的左上方,电子在偏转电极XX′间受到的电场力指向X′、在YY′间受到的电场力指向Y,则需在偏转电极XX′、YY′上加电压,且X′比X电势高,Y比Y′电势高.故②错误;
③设加速电场的电压为U1,偏转电场的电压为U2,偏转电极的长度为L,板间距离为d,根据推论得知,偏转距离为y=,可见,偏转距离与偏转电压U2成正比,由几何知识得知,电子在荧光屏偏转的距离也与偏转电压成正比,则偏转电极XX′上加上随时间作线性变化的电压时,电子在荧光屏偏转的距离与时间也是线性关系,形成一条亮线,若电压是周期性变化,就可以使电子在水平方向不断扫描.故③正确.
④由上分析知,电子在荧光屏偏转的距离与偏转电压成正比,则在偏转电极YY′上加按正弦规律变化的电压,电子在荧光屏偏转的距离按正弦规律变化,而在偏转电极XX′上加适当频率的扫描电压,水平方向电子不断从右向左匀速扫描,在荧光屏上出现一条正弦曲线.故④正确.
故选:D.
如图所示,有一半圆弧光滑轨道,半径为R,在与圆心等高的位置静止放置一个带正电的小球A,其质量为m,MN之间有一方向水平向左的匀强电场,让小球A自由滚下进入匀强电场区域,水平面也是光滑的,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、小球进入电场后受到向左的电场力而做减速运动,由于MN的宽度和小球进入电场的速度、加速度等条件不明,所以小球不一定能穿过电场区域,故A错误.
B、若小球一定能穿过MN区域,根据动能定理得:mgR+W电=mv2-0,解得,电场力做的功为 W电=
mv2-mgR,故B错误.
C、如果小球没有穿过MN区域,由于电场力和重力做功只与初末位置有关,根据能量守恒定律和过程的可逆性可知,小球一定能回到出发点,而且回到出发点时速度为零,不可能到达P点,故C正确,D错误.
故选:C.
如图所示,MPQO为有界的竖直向下的匀强电场,电场强度为E,ACB为光滑固定的半圆形轨道,圆轨道半径为R,AB为圆水平直径的两个端点,AC为
圆弧.一个质量为m、电荷量为-q的带电小球,从A点正上方高为H处由静止释放,并从A点沿切线进入半圆轨道.不计空气阻力及一切能量损失,关于带电粒子的运动情况,下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、由于题中没有给出H与R、E的关系,小球可能从B点离开轨道,若小球所受的电场力大于重力,小球就不一定从B点离开轨道,故A错误;
B、若重力大小等于电场力,小球在AC部分做匀速圆周运动,故B错误.
C、由于小球在AC部分运动时电场力做负功,所以若小球能从B点离开,上升的高度一定小于H,故C正确;
D、若小球到达C点的速度为零,则电场力大于重力,则小球不可能沿半圆轨道运动,所以小球到达C点的速度不可能为零.故D正确.
故选:CD.
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