- 带电粒子在电场中运动的综合应用
- 共1139题
如图所示,平面直角坐标系xoy内,在x≤0的区域内分布着匀强电场,其等势线如图中虚线所示(相邻等势面间的距离相等).在A点源源不断的产生速率为零、质量为m、电荷量为+q的粒子,经电场加速后从O点进入一个圆形的匀强磁场区,其磁感应强度为B,方向垂直纸面向里,其半径为R,直径OB在x轴上.在x=4R处有一个垂直x轴很大的光屏,与x轴的交点为C,粒子打在光屏上可出现亮点.设粒子的重力不计,A点所在的等势面电势为零,D点的电势为.
(1)求从A点产生的粒子经电场和磁场后,打在光屏上的位置.
(2)若将圆形磁场区以O点为轴,整体逆时针将OB缓慢转过90度角(与y轴重合),求此过程中粒子打在光屏上的点距C点的最远距离.
正确答案
A与O间的电势差U=4UDA=4×=
,
粒子经过电场加速过程中,由动能定理得:qU=mv2-0,
解得:v=,
粒子进入磁场做圆周运动轨道半径为r,
由牛顿第二定律:qvB=,解得:r=2R,
粒子运动轨迹如图甲所示,粒子做圆周运动的圆心角为2θ,
由几何关系得:tanθ==
,tan2θ=
,
tan2θ==
,解得:CF=4R,
故所以F点的坐标为(4R,4R);
(2)当圆形磁场旋转时,粒子做圆周运动的圆心和轨迹都不变,
当粒子在磁场中对应的弦长为直径时对应的坐标最大打到距离c点最远处如图乙所示,
由图中几何关系得:R=rsinβ,tan2β=,解得:CF=(4
-2)R;
答:(1)从A点产生的粒子经电场和磁场后,打在光屏上的位置坐标为(4R,4R);
(2)粒子打在光屏上的点距C点的最远距离为(4-2)R.
如图,匀强电场中有一半径为r的光滑绝缘圆轨道,轨道平面与电场方向平行.a、b为轨道直径的两端,该直径与电场方向平行.一电荷量为q(q>0)的质点沿轨道内侧运动,经过a点和b点时对轨道压力的大小分别为Na和Nb.不计重力,求电场强度的大小E、质点经过a点和b点时的动能.
正确答案
质点所受到电场力的大小为:f=qE,
设质点质量为m,经过a点和b点时速度大小分别为va vb,
由牛顿第二定律有,f+Na=m
Nb-f=m
设质点经过a点和b点时动能分别为 Eka 和 Ekb,
则有 Eka=m
,Ekb=
m
根据动能定理有,Ekb-Eka=2rf
联立解得:E=(Nb-Na)
Ea=(Nb+5Na)
Eb=(5Nb+Na)
答:电场强度的大小:E=(Nb-Na)、质点经过a点:Ea=
(Nb+5Na) 和b点时的动能:Eb=
(5Nb+Na).
如图甲所示,真空中水平放置的平行金属板A、B的长度为L,两板间加上如图乙所示的交变电压,峰值为uo,周期为T.紧靠A、B板左端有一对加速电极C、D,可将从孔S飘入的电子(初速为零)加速后从孔P沿AB中央水平射入AB之间.若要电子能从AB右端中央Q点水平飞出.问:
(1)加速电极CD之间的电压ucd
(2)AB之间的距离d所满足的条件.(电子电量为e,质量为m,不计重力)
正确答案
(1)在t=kT+时进入AB之间的电子可从Q水平射出.其在极间的轨迹如图:
在t=kT+T时进入AB之间的电子可从Q水平射出.其在极间的轨迹如图:
设电子以vo进入AB,则有 vo•nT=L(n=1、2、3…)
又m
=eucd
∴ucd=(n=1、2、3…)
(2)电子在2×内的侧移y须满足
y=2×(
)2≤
∴d≥
答:(1)加速电极CD之间的电压ucd=(n=1、2、3…);
(2)AB之间的距离d所满足的条件d≥.
如图所示,一绝缘细圆环半径为 r,其环面固定在竖直平面上,方向水平向右、场强大小为E的匀强电场与圆环平面平行,环上穿有一电荷量为+q 的小球,可沿圆环做无摩擦的圆周运动,若小球经A点时速度方向恰与电场方向垂直,且圆环与小球间沿水平方向无力的作用.小球沿顺时针方向运动,且qE=mg,求小球运动到何处时,对环的作用力最大?最大作用力为多大?
正确答案
由题意可知小球到达A点时电场力提供向心力即qE=m
,①
由qE=mg.由于球只受到重力和电场力的作用,并且重力和电场力的大小相等,当两个力的合力沿半径向外时,如图所示经过D点时,动能最大,环对球的作用力最大,此时CD与竖直方向的夹角为45°,根据动能定理得:
从A→D:mgrcos45°+qE(1+sin45°)r=m
-
m
②
根据牛顿第二定律得:N-mg=m
③
联立①②③得:N=3(1+)mg
由牛顿第三定律得知:小球对环的最大作用力N′=N=3(1+)mg.
答:当小球运动到图是D点,CD与竖直方向的夹角为45°时,对环的作用力最大,最大作用力为3(1+)mg.
如图所示,质量为5×10-8kg的带电微粒以V0=2m/s的速度从水平放置的金属板A、B的中央飞入板间,已知板长L=10cm,板间距离d=2cm.当UAB=1000V时,带电粒子恰好沿直线穿过板间,则
(1)UAB为多大时粒子擦上板边沿飞出?
(2)UAB在什么范围内带电粒子能从板间飞出?
正确答案
(1)当UAB=1000V时,有mg=q;当粒子擦上板边沿飞出时,粒子向上做类平抛运动,由题得知,偏转距离y=
,水平位移x=L.
由L=v0t,y=at2,得
a==8m/s2
根据牛顿第二定律得
q-mg=ma
又mg=q
联立两式得,UAB1=1800V
(2)当粒子擦下板边沿飞出时UAB最小,根据对称性可知,加速度大小也等于a,再由牛顿第二定律得
mg-q=ma
解得,UAB2=200V
所以UAB在200V~1800V范围内带电粒子能从板间飞出.
答:
(1)UAB为1800V时粒子擦上板边沿飞出.
(2)UAB在200V~1800V范围内带电粒子能从板间飞出.
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