- 带电粒子在电场中运动的综合应用
- 共1139题
制备纳米薄膜装置的工作电极可简化为真空中间距为d的两平行极板,如图甲所示,加在极板A、B间的电压UAB作周期性变化,其正向电压为U0,反向电压为-kU0(k>l),电压变化的周期为2T,如图乙所示,在t=0时,极板B附近的一个电子,质量为m、电荷量为e,受电场作用由静止开始运动若整个运动过程中,电子未碰到极板A,且不考虑重力作用。
(1)若k=5/4,电子在0~2T时间内不能到达极板A,求d应满足的条件;
(2)若电子在0~200T时间内未碰到极板B,求此运动过程中电子速度v随时间t 变化的关系;
(3)若电子在第N个周期内的位移为零,求k的值。
正确答案
解:(1)电子在0~T时间内做匀加速运动加速度的大小①
位移②
在T~2T时间内先做匀减速运动,后反向做匀加速运动加速度的大小③
初速度的大小④
匀减速运动阶段的位移⑤
依据题意d>x1+x2解得⑥(2)在2nT~(2n+l)T,(n=0,1,2,…,99)时间内速度增量△v1=a1T ⑦
在(2n+l)T-2(n+l)T,(n=0,l,2,…,99)时间内加速度的大小
速度增量△v2=-a2'T ⑧
(a)当0≤t -2nT
解得⑩
(b)当0≤l-(2n+l)T
(3)电子在2(N -1)T-(2N-1)T时间内的位移
电子在(2N -1)T~2NT时间内的位移
由⑩可知
由可知
依据题意
解得。
如图所示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;
(2)求电子从偏转电场射出时的侧移量;
(3)若要电子打在荧光屏上P点的上方,可采取哪些措施?
正确答案
解:(1)设电子经电压Ul加速后的速度为v0,由动能定理得
解得:
(2)电子以速度v0进入偏转电场后,垂直于电场方向做匀速直线运动,沿电场方向做初速度为零的匀加速直线运动,设偏转电场的电场强度为E,电子在偏转电场巾运动的时间为t,加速度为a,电子离开偏转电场时的侧移量为y,由牛顿第二定律和运动学公式得
,
,
。
,
。
(3)减小加速度电压U1;增大偏转电压U2。
如图所示,两块平行金属板M、N竖直放置,两板间的电势差U=1.5×l03V,现将一质量m=1×10-2 kg、电荷量q=4×10-5 C的带电小球从两板上方的A点以V0=4 m/s的初速度水平抛出,且小球恰好从靠近M板上端处进入两板间,沿直线运动碰到N板上的B点,已知A点距两板上端的高度h=0.2m,不计空气阻力,取g=10 m/s2。求:
(1)M、N两板间的距离d;
(2)小球到达B点时的动能Ek。
正确答案
解:(1)小球进入电场区域前做平抛运动,竖直方向上:vy2=2gh,vy=2 m/s
进入电场后做直线运动,满足:
解得:d=0.3m
(2)从A到B的过程中,应用动能定理有
解得:Ek=0.175 J
如图所示为一种测量电子比荷的仪器的原理图,其中阴极K释放电子,阳极A是一个中心开孔的圆形金属板,在AK间加一定的电压,在阳极右侧有一对平行正对带电金属板M、N,板间存在方向竖直向上的匀强电场。0点为荧光屏的正中央位置,且K 与0的连线与M、N板间的中心线重合。电子从阴极逸出并被AK间的电场加速后从小孔射出,沿KO连线方向射入M、N两极板间,已知电子从阴极逸出时的初速度、所受的重力及电子之间的相互作用均可忽略不计,在下列过程中,电子均可打到荧光屏上。
(1)为使电子在M、N极板间不发生偏转,需在M、N极板间加一个垂直纸面的匀强磁场,请说明所加磁场的方向;
(2)如果M、N极板间的电场强度为E、垂直纸面的匀强磁场的磁感应强度为B, K与A间的电压为U,电子恰能沿直线KO穿过平行金属板,打在荧光屏正中央,求电子的比荷(电荷量和质量之比);
(3)已知M、N板的长度为L1,两极板右端到荧光屏的距离为L2,如果保持M、N 极板间的电场强度E,以及加速电压U不变,而撤去所加的磁场,求电子打到荧光屏上的位置与O点的距离。
正确答案
解:(1)电子在电场和磁场重叠的空间不发生偏转, 必是电场力与洛伦兹力大小相等,方向相反
而电场力方向竖直向下,洛伦兹力方向一定竖直向上,由左手定则可判定磁场方向垂直纸面向外
(2)电子穿过电场和磁场区域沿直线运动,必受力平衡eE=eBvo,①
电子经电压为U的电场加速②
联立①②解得电子的比荷
(3)电子通过M、N两极板间的过程中,在竖直方向做初速度为零的匀加速运动,在水平方向做匀速直线运动。电子在两极板间运动时间,加速度
所以电子在两极板间竖直方向的位移
电子离开两极板间后做匀速直线运动,运动时间
电子从极板右端射出时其沿竖直方向的速度
电子离开两极板间后,竖直方向的位移
电子打到荧光屏上的位置与O点的距离。
如图所示,A、B是位于竖直平面内、半径R=0.5 m的圆弧形的光滑绝缘轨道,其下端点B与水平绝缘轨道平滑连接,整个轨道处在水平向左的匀强电场中,电场强度E=5×103 N/C。今有一质量为m=0.1 kg、带电荷量q=+8×10-5 C的小滑块(可视为质点)从A点由静止释放。若已知滑块与水平轨道间的动摩擦因数μ=0.05,取g=10 m/s2,求:
(1)小滑块第一次经过圆弧形轨道最低点B时对B点的压力;
(2)小滑块在水平轨道上通过的总路程。
正确答案
解:(1)设小滑块第一次到达B点时的速度为vB,对圆弧轨道最低点B的压力为F,则:
mgR-qER=mvB2,F-mg=m
故F=3mg-2qE=2.2 N
(2)由题意知qE=8×10-5×5×103 N=0.4 N
μmg=0.05×0.1×10 N=0.05 N
因此有qE>μmg
所以小滑块最终在圆弧轨道的BC部分往复运动(C点离水平面的高度h满足关系式mgh=qE),所以小滑块在水平轨道上通过的总路程s满足(mg-qE)(R-h)=μmg·s
解得:s=4.34 m
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