- 带电粒子在电场中运动的综合应用
- 共1139题
一带电平行板电容器竖直放置,如图所示,板间距d=0.1m,板间电势差U=1000V.现从A处以速度vA=3m/s水平向左射出一带正电的小球(质量m=0.02g、电荷量为q=10-7C),经过一段时间后发现小球打在A点正下方的B处,(取g=10m/s2)
(1)分别从水平方向和竖直方向定性分析从A到B的过程中小球的运动情况;
(2)A、B间的距离.
正确答案
(1)在水平方向上,小球开始向左做初速度为vA的匀减速运动,速度变为零后向
右做匀加速运动,直到达到B点,过程中加速度不变,由电场力提供外力.
在竖直方向上,小球向下做初速度为零的匀加速运动,直到达到B点,重力提供外力.
(2)水平方向:电场力为F=q,加速度a=
小球向左运动到最远的时间为t==0.03 s.
在这段时间内向左运动的距离x=vAt-at2≈0.09 m<0.1 m,不会撞到左壁.
小球达到B点所用时间为T=2t
竖直方向下落距离即为所求hAB=gT2=7.2 cm.
答:(1)在水平方向上,小球开始向左做初速度为vA的匀减速运动,速度变为零后向
右做匀加速运动,直到达到B点,过程中加速度不变,由电场力提供外力.
在竖直方向上,小球向下做初速度为零的匀加速运动,直到达到B点,重力提供外力.
(2)7.2 cm
如图所示,两带电平行金属板A、B间的电场为匀强电场,场强E=4.0×102V/m,两板相距d=16cm,板长L=30cm.一带电量q=1.0×10-16C、质量m=1.0×10-22㎏的粒子沿平行于板方向从两板的正中间射入电场后向着B板偏转,不计带电粒子所受重力,(tan28°=0.53)求:
(1)粒子带何种电荷?
(2)要使粒子能飞出电场,粒子飞入电场时的速度v0至少为多大?
(3)粒子飞出电场时的最大偏角为多大?
正确答案
(1)由于B板带负电,粒子向B板偏转,说明粒子带正电
(2)在粒子偏转到B板之前飞出电场.
竖直方向:=
at2=
•
t2
得:t=
水平方向:v0==L
=1.5×104m/s
所以要使粒子能飞出电场,粒子飞入电场时的速度v0至少为1.5×104m/s;
(3)设粒子飞出电场的最大偏角为θ,则有:tanθ==
=
=
=
=0.53
所以θ=28°
答:(1)粒子带正电;
(2)要使粒子能飞出电场,粒子飞入电场时的速度v0至少为1.5×104m/s.
(3)粒子飞出电场时的最大偏角为28°.
两平行金属板长L=O.1m,板间距离d=l×10-2m,从两板左端正中间有带电粒子持续飞入,如图甲所示.粒子的电量q=10-10c,质量m=10-20kg,初速度方向平行于极板,大小为v=107m/s,在两极板上加一按如图乙所示规律变化的电压,不计带电粒子 重力作用.求:
(1)带电粒子如果能从金属板右侧飞出,粒子在电场中运动的时间是多少?
(2)试通过计算判断在t=1.4×10--8s和t=0.6×10--8s时刻进入电场的粒子能否飞出.
(3)若有粒子恰好能从右侧极板边缘飞出,该粒子飞出时动能的增量△EK=?
正确答案
(1)粒子在电场中飞行的时间为t,则 t=
代入数据得:t=1×10-8s
(2)粒子在电场中运动的加速度a==
=2×l014m/s2.
当t=1.4×1O-8s时刻进入电场,考虑竖直方向运动,前0.6×10-8s无竖直方向位移,后0.4×10-8s做匀加速运动.
竖直方向位移为 y=at2=0.16×10-2m<
d=0.5×10-2m
∴能飞出两板间
当t=-O.6×1O-8s时刻进入电场,考虑竖直方向运动,前0.4×10-8s匀加速运动,后O.6×1 O-8s做匀速运动.
竖直方向位移y′=s1+s2=at2+at(T-t)=0.64 x10-2m>
d=0.5×10-2m
∴不能飞出两板间
(3)若粒子恰能飞出两板间,考虑两种情况
a.竖直方向先静止再匀加速.
y=at2
代入得 0.5×10-2=×2×1014t2
得t=×10-8s
∴△Ek=qU=1×10-8J
b.竖直方向先匀加速再匀速
Sy=S1+S2=at2+at(T-t)
代入得 0.5×10-2=×2×1014t2+2×1014t(1×10-8-t)
得t=(1-)×10-8s
∴S1=at2=(1.5-
)×10-2m
∴△Ek=EqS1==(3-2
)×10一8=0.17×10-8J
答:
(1)带电粒子如果能从金属板右侧飞出,粒子在电场中运动的时间是
(2)通过计算判断得知在t=1.4×10-8s进入电场的粒子能飞出电场,t=0.6×10-8s时刻进入电场的粒子不能飞出电场.
(3)若有粒子恰好能从右侧极板边缘飞出,该粒子飞出时动能的增量△EK为0.17×10-8J.
如图1所示,在真空中足够大的绝缘水平地面上,一个质量为m=0.2kg,带电量为q=+2.0×10-6C的小物块处于静止状态,小物块与地面间的动摩擦因数μ=0.1.从t=0时刻开始,空间加上一个如图2所示的场强大小和方向呈周期性变化的电场,(取水平向右为正方向,g取10m/s2).
求:(1)15秒末小物块的速度大小
(2)15秒内小物块的位移大小.
正确答案
解析:(1)0~2s内物块加速度a1==2m/s2
位移s1=a1
=4m
2s末的速度为v2=a1t1=4m/s
2~4s内物块加速度a2==-2m/s2
位移s2=s1=4m
4s末的速度为v4=v2+a2t2=0
因此小物块做周期为4s的加速和减速运动,第14s末的速度也为v14=4m/s,所以第15s末的速度v15=v14-at=2m/s,方向向右. (t=1s)
(2)15秒内小物块的位移大小,可以看做是上述3个周期加上s1和第15s内的位移s15=v14t+a2t2=3m,
所求位移为s=3(s1+s2)+s1+s15=31m
答:(1)15秒末小物块的速度大小2m/s;(2)15秒内小物块的位移大小是31m.
如图所示,将平行板电容器极板竖直放置,两板间距离d=0.1m,电势差U=1000V,一个质量m=0.2g,带正电q=10-7C的小球(球大小可忽略不计),用l=0.01m长的丝线悬于电容器极板间的O点.现将小球拉到丝线呈水平伸直的位置A,然后放开.假如小球运动到O点正下方B点处时,线突然断开.
(1)求小球运动到O点正下方B点处刚要断时线的拉力
(2)以后发现小球恰能通过B点正下方的C点,求B、C两点间的距离.(g取10m/s2)
正确答案
(1)电场强度E==104V/m
从A到B根据动能定理:mgl-Eql=m
由牛顿第二定律:T-mg=m
解得:T=4×10-3N vB=m/s
(2)从B到C,水平方向:ax==5m/s2
运动所需要的时间,t=
竖直方向分运动是自由落体运动:h=gt2=0.08m
答:(1)则小球运动到O点正下方B点处刚要断时线的拉力4×10-3N;
(2)以后发现小球恰能通过B点正下方的C点,则B、C两点间的距离0.08m.
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