- 带电粒子在电场中运动的综合应用
- 共1139题
真空中足够大的两个相互平行的金属板a和b之间的距离为d,两板之间的电压Uab按图所示规律变化,其变化周期为T.在t=0时刻,一带电粒子(+q)仅在该电场的作用下,由a板从静止开始向b板运动,并于t=nT(n为自然数)时刻,恰好到达b板.试求:
(1)带电粒子运动过程中的最大速度为多少?
(2)若粒子在t=时刻才开始从a板运动,那么经过同样长的时间,它将运动到离a板多远的地方?
正确答案
(1)带电粒子在匀强电场中的加速度为a,前半个周期为加速运动,后半个周期为减速运动,在一个周期中最后速度为0,带电粒子重复这个过程.所以在前半个周期末的速度最大.
d=2na(
T
2
)2
得到:a=
v=a=
(2)若粒子在t=时刻开始从A板运动,该粒子向B板运动的距离:x1=2n
a(
2T
6
)2;
在电场力作用下返回,向A板运动的距离:x2=d=2na(
T
6
)2
该粒子向B板运动的总位移:x=2n[a(
T)2-
a(
T)2]
联立以上公式,解得:x=d
答:(1)带电粒子运动过程中的最大速度;(2)粒子将运动到离a板
的地方.
两块金属板a、b平行放置,板间存在与匀强电场正交的匀强磁场,假设电场、磁场只存在于两板间的空间区域.一束电子以一定的初速度v0从两极板中间,沿垂直于电场、磁场的方向射人场中,无偏转地通过场区,如图所示.已知板长l=10cm,两板间距d=3.0cm,两板间电势差U=150V,v0=2.0×107m/s.
(1)求磁感应强度B的大小;
(2)若撤去磁场,求电子穿过电场时偏离人射方向的距离,以及电子通过场区后动能增加多少?(电子所带电荷量的大小与其质量之比e/m=1.76×1011C/kg,电子电荷量的大小e=1.60×10-19C)
正确答案
(1)电子进人正交的电磁场不发生偏转,受到的洛伦兹力和电场力平衡,则有:
解得:
(2)电子只在电场中运动,在电场力的作用下将向下偏转,设电子通过场区偏转的距离为y1则有:
y1=at2=
•
=1.1×10-2m
动能的增加即为电场力对电子所做的功,为
△EK=eEy1=ey1=8.8×10-18J=55eV.
答:(1)磁感应强度B的大小为2.5×10-4T;
(2)若撤去磁场,电子穿过电场时偏离人射方向的距离为1.1×10-2m,电子通过场区后动能增加55eV.
水平放置的两块平行金属板长L=5.0cm,两板间距d=1.0cm,两板间电压为90V,且上板为正,一个电子沿水平方向以速度v0=2.0×107m/s从两板中间射入,如图,求:(电子电量为-1.6×10-19C,质量为0.90×10-30kg)
(1)电子飞出电场时的侧移量是多少?
(2)电子飞出电场时的速度大小是多少?
(3)电子飞出电场时速度偏转角的正切值是多少?
正确答案
由于电子在电场中所受电场力远大于电子所受重力作用,故本题中电子所受重力忽略不计.
(1)电子在电场中做类平抛运动,水平方向做匀速直线运动,竖直方向做匀加速直线运动,故有:
水平方向:v0t=L,可得电子在电场中运动的时间为:t=
竖直方向:y=at2=
•
•(
)2=
×
×(
)2m=5×10-3m
(2)电子飞出电场时,水平分速度vx=v0,竖直分速度:
vy=at=•
=
m/s=4×106m/s
飞出电场时的速度为:v=,
代入数据可得:v≈2.04×107m/s
(3)电子飞出电场时速度偏转角的正切值:tanθ==
=
答:(1)电子飞出电场时的侧移量是5×10-3m;
(2)电子飞出电场时的速度大小是2.04×107m/s;
(3)电子飞出电场时速度偏转角的正切值是.
一个质量为m带有电荷为-q的小物体,可在水平轨道OX上运动,O端有一与轨道垂直的固定墙.轨道处于匀强电场中,场强大小为E,方向沿OX轴正方向如图所示,小物体以速度V0从图示位置向左运动,运动时受到大小不变的摩擦力f作用,设小物体与墙壁碰撞时不损失机械能,且电量保持不变,求它停止前所通过的总路程S.
根据动能定理可得:
qEs-fs=0-m 上述解法正确吗?若你认为是正确的话,则解出其结果,若你认为不正确的话,则列式解出你认为正确的结果.
正确答案
不全面,要根据电场力与摩擦力大小来分情况讨论,
(1)当qE>f时,最终物体停在墙角处qE•x0-f•s=0-m
s=
(2)讨论:qE<f
①在碰撞前停下,即f>qE+ 时 qE•s-f•s=0-
m
s=
②在墙壁处停下,即f=qE+ 时
s=x0
③在与墙壁碰撞后向右停下,即qE+>f>qE时
qE(2x0-s)-fs=0-m
即s=.
答:它停止前所通过的总路程S可能为、
、x0、
.
如图所示,一束带正电的粒子以平行于x轴方向的速度v0从y轴上的a点射入第一象限内,为了使这束粒子能经过x轴上的b点,可在第一象限的某区域内加一个方向沿y轴负方向的匀强电场.己知所加电场的场强为E,沿x方向的宽度为s,oa=L,ob=2s,粒子质量为m,带电量为q,重力不计.试讨论电场的右边界与b的可能距离.
正确答案
设电场的右边界与b的距离为x,带电粒子刚进入第一象限时做匀速直线运动位移为(s-x),然后进入偏转电场做类平抛运动竖直方向的偏转位移为y1,带电粒子出电场后做匀速直线运动到达b,运动轨迹如图:
带电粒子进入偏转电场做类平抛运动,结合平抛运动规律解题:
水平方向匀速直线运动:s=v0t
竖直方向初速度为零的匀加速直线运动:y1=at2=
t2=
(
)2①
竖直分速度:vy=at=
tanθ==
=
②
把①代入②整理得:x=-
答:电场的右边界与b的可能距离为-
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