- 带电粒子在电场中运动的综合应用
- 共1139题
如图所示,一个电子以4×106m/s的速度沿与电场垂直的方向从A点飞进匀强电场,并且从另一端B点沿与场强方向成150°角方向飞出,那么A、B两点间的电势差为多少?(电子的质量为9.1×10-31kg,忽略电子的重力).
正确答案
电子做类平抛运动,AB两点速度关系有:=
又:qUAB=△Ek=mvB2-
mvA2
解得:UAB=-136.5v
答:A、B两点间的电势差为-136.5v.
如图所示,电源电动势为E=100V,内阻不计,R1、R2、R4的阻值均为300Ω,R3为可变电阻.C为一水平放置的平行板电容器,虚线到两极板距离相等且通过竖直放置的荧光屏中心,极板长为L=8cm,板间距离为d=1cm,右端到荧光屏距离为s=20cm,荧光屏直径为D=5cm.有一细电子束沿图中虚线以E0=9.6×102eV的动能连续不断地向右射入平行板电容器.已知电子电量e=1.6×1019C.要使电子都能打在荧光屏上,变阻器R3的取值范围多大?
正确答案
电子穿过电容器过程中,在水平方向上做匀速运动 l=v0t①
在竖直方向上做匀加速直线运动 y1=at2②
v⊥=at ③
a= ④
电子穿过平行板电容器时,速度方向偏转θ角,tanθ= ⑤
电子打在荧光屏上偏离中心O的位移,y=y1+s•tanθ
由上述①~⑥方程得:y=(1+)y1
当y1=d时,代入数据求得:y=3m>
⑦
故使电子打在荧光屏上,应满足y≤阶段
联立①~⑦方程,U≤
代入数据求得,A、B间电压U≤25V
(1)当UAB=25V时,UAB=R2-
R4=25V
代入数据得:R3=900Ω
(2)当UBA=25V时,UAB=R4-
R2=25V
代入数据得:R3=100Ω
综述:100Ω≤R3≤900Ω
真空中存在空间范围足够大的、水平向右的匀强电场.在电场中,若将一个质量为m、带正电的小球由静止释放,运动中小球的速度与竖直方向夹角为37°(取sin 37°=0.6,cos 37°=0.8).现将该小球从电场中某点以初速度v0竖直向上抛出.求运动过程中:
(1)小球受到的电场力的大小和方向;
(2)小球到达最高点时的动能;
(3)小球从抛出点到与抛出点同一水平高度处电势能的变化量;
(4)小球最小速度的大小和方向.
正确答案
(1)根据题设条件可知,合外力和竖直方向夹角为37°,所以电场力大小为:
Fe=mgtan37°=mg,电场力的方向水平向右.
故电场力为,方向水平向右.
(2)小球沿竖直方向做匀减速运动,有:vy=v0-gt
沿水平方向做初速度为0的匀加速运动,加速度为a:ax==
g
小球上升到最高点的时间t=,此过程小球沿电场方向位移:sx=
axt2=
电场力做功 W=Fxsx=mv02
故小球上升到最高点时,竖直方向的分速度是0,它的动能就等于电场力做功,即:EK=m
(3)小球从抛出点到与抛出点同一水平高度处小球经历的时间:T=2t=
水平方向的位移:x′=axT2=
电场力做功W′=Fxx′=
故小球从抛出点到与抛出点同一水平高度处电势能的变化量△EP=;
(4)水平速度:vx=axt
竖直速度:vy=v0-gt
小球的速度:v=
由以上各式得出:g2t2-2v0gt+(v02-v2)=0
解得当t=时,v有最小值 vmin=
v0
此时:vx=v0,vy=
v0,tanθ=
=
,即与电场方向夹角为37°斜向上
答:(1)小球受到的电场力的大小为mg和方向沿水平方向;
(2)小球到达最高点时的动能m
;
(3)小球从抛出点到与抛出点同一水平高度处电势能的变化量m
;
(4)小球最小速度是vmin=v0和方向即与电场方向夹角为37°斜向上.
一束电子从静止开始经加速电压U1加速后,以水平速度射入水平放置的两平行金属板中间,如图所示,金属板长为l,两板距离为d,竖直放置的荧光屏距金属板右端为L.若在两金属板间加直流电压U2时,光点偏离中线与荧光屏交点O,打在荧光屏上的P点,求OP的长度.
正确答案
电子在电场中加速:eU1=mv02
电子在电场中做类平抛运动:
在水平方向:l=v0t
在竖直方向:a=
射出电场时:vy=at
偏转角θ:tanθ==
偏移OP=(L+l)tanθ
由上述得:OP=(l+L)
答:OP的长度为(l+L)
.
如图所示,在坐标系xOy中,第一象限除外的其它象限都充满匀强磁场,磁感应强度都为B=0.12T、方向垂直纸面向内.P是y轴上的一点,它到坐标原点O的距离l=0.40m.一比荷=5.0×107C/kg的带正电粒子从P点开始进入匀强磁场中运动,初速度v0=3.0×106m/s、方向与y轴正方向成夹角θ=53°并与磁场方向垂直.不计粒子的重力作用.已知sin53°=0.8,cos53°=0.6,求:
(1)粒子在磁场中运动的轨道半径R.
(2)在第一象限中与x轴平行的虚线上方的区域内充满沿x轴负方向的匀强电场(如图),粒子在磁场中运动一段时间后进入第一象限,最后恰好从P点沿初速度的方向再次射入磁场.求匀强电场的电场强度E和电场边界(虚线)与x轴之间的距离d.
正确答案
(1)粒子在磁场区域内运动,有qv0B=m
可得粒子运动的轨道半径R=
代入数据解得:R=0.50m
(2)通过作图可知(如图),粒子运动轨迹的圆心A恰好落在x轴上.
由几何关系可知:粒子从C点进入第一象限时的位置坐标为
x=R-Rcosθ=0.20m
粒子进入匀强电场后做类平抛运动,设粒子在电场运动时间为t,加速度为a,则l-d=v0t
qE=ma
x=at2
vx=at
粒子运动到P点时,有vx=v0tanθ
由以上各式,代入数据解得电场强度:E=8.0×105N/C
电场边界(虚线)与x轴之间的距离
d=0.10m.
答:(1)粒子在磁场中运动的轨道半径R为0.50m.
(2)匀强电场的电场强度E为8.0×105N/C,电场边界(虚线)与x轴之间的距离d为0.10m.
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