- 带电粒子在电场中运动的综合应用
- 共1139题
如图所示,磁感应强度为B的条形匀强磁场区域的宽度都是d1,相邻磁场区域的间距均为d2,x轴的正上方有一电场强度大小为E,方向与x轴和B均垂直的匀强电场区域,将质量为m、带正电量为q的粒子(重力忽略不计)从y轴上坐标为h处由静止释放.求:
(1)粒子在磁场区域做匀速圆周运动的轨道半径.
(2)若粒子经磁场区域I、II后回到x轴,则粒子从开始释放经磁场后第一次回到x轴需要的时间和位置坐标.
(3)若粒子从y轴上坐标为H处以初速度v0沿x轴正方向水平射出,此后运动中最远能到达第k个磁场区域的下边缘,并再次返回到x轴,求d1、d2的值.
正确答案
(1)、设粒子进入磁场时的速度为v,粒子在电场中做加速运动,由功能关系有:
qEh=mv2…①
粒子在磁场中做圆周运动,有:
R=…②
①②两式联立得:
R=
(2)、设粒子在电场中的加速时间为t1,则有:
h=,得t1=
设粒子在磁场中的运动时间为t2,则t2=T,T=
,则可得:
t2=
设粒子在无磁场区域的运动时间为t3,则t3=,
又因cosα=
将v、R代入t3=,得:
t3=
则运动的时间为:
t=t1+t2+t3=+
+
设粒子回到x轴的坐标为x,则有:
x=2R+2d2tanα
解得:x=2+
.
(3)粒子在电场中类平抛,进入磁场时速度v2,则有:
v2=,且有vy=
v2与水平方向的夹角有:cosβ=
粒子在磁场中偏转半径为:R=
因粒子最远到达第k个磁场区域的下边缘,有:
kd1=R(1-cosβ)
解得:d1=.
粒子在无磁场区域做匀速直线运动,故d2可以取任意值.
答:(1)粒子在磁场区域做匀速圆周运动的轨道半径为.
(2)粒子从开始释放经磁场后第一次回到x轴需要的时间为+
+
,位置坐标为2
+
.
(3)若粒子从y轴上坐标为H处以初速度v0沿x轴正方向水平射出,此后运动中最远能到达第k个磁场区域的下边缘,并再次返回到x轴,d1的值为,d2可以取任意值.
电子自静止开始经M、N板间(两板间的电压为u)的电场加速后从A点垂直于磁场边界射入宽度为d的匀强磁场中,电子离开磁场时的位置P偏离入射方向的距离为L,如图所示.求匀强磁场的磁感应强度.(已知电子的质量为m,电量为e)
正确答案
电子在M、N间加速后获得的速度为v,由动能定理得:
mv2-0=eu
电子进入磁场后做匀速圆周运动,设其半径为r,则:
evB=m
电子在磁场中的轨迹如图,由三角形相似得:
=
由以上三式得:B=
答:匀强磁场的磁感应强度为.
如图所示,质量为m,电荷量为e的粒子从A点以v0的速度沿垂直电场线方向的直线AO方向射入匀强电场,由B点飞出电场是速度方向与AO方向成45°,已知AO的水平距离为d.(不计重力)
求:(1)从A点到B点用的时间;
(2)匀强电场的电场强度大小;
(3)AB两点间电势差.
正确答案
(1)粒子从A点以v0的速度沿垂直电场线方向射入电场,水平方向做匀速直线运动,则有:t=.
(2)由牛顿第二定律得:a=.
将粒子射出电场的速度v进行分解,则有 vy=v0tan45°=v0,又vy=at,得:
v0=•
=
,解得:E=
(3)由动能定理得:
eUAB=m(
v0)2-
m
解得:UAB=
答:(1)从A点到B点用的时间为;
(2)匀强电场的电场强度大小为;
(3)AB两点间电势差为.
如图(a)所示,A、B为两块平行金属板,极板间电压为UAB=1125V,板中央有小孔O和O′.现有足够多的电子源源不断地从小孔O由静止进入A、B之间.在B板右侧,平行金属板M、N长L1=4×10-2m,板间距离d=4×10-3m,在距离M、N右侧边缘L2=0.1m处有一荧光屏P,当M、N之间未加电压时电子沿M板的下边沿穿过,打在荧光屏上的O″并发出荧光.现给金属板M、N之间加一个如图(b)所示的变化电压u1,在t=0时刻,M板电势低于N板.已知电子质量为me=9.0×10-31kg,电量为e=1.6×10-19C.
(1)每个电子从B板上的小孔O′射出时的速度多大?
(2)打在荧光屏上的电子范围是多少?
(3)打在荧光屏上的电子的最大动能是多少?
正确答案
(1)电子经A、B两块金属板加速,有eU=mv02
得v0==
m/s=2×107m/s
(2)当u=22.5V时,电子经过MN极板向下的偏移量最大,为y1=•
•(
)2=
×
×(
)2m=2×10-3m
Y1<d,说明所有的电子都可以飞出M、N.
此时电子在竖直方向的速度大小为vy=•
=
×
m/s=2×106m/s
电子射出极板MN后到达荧光屏P的时间为t2==
s=5×10-9s
电子射出极板MN后到达荧光屏P的偏移量为y2=vyt2=2×106×5×10-9m=0.01m
电子打在荧光屏P上的总偏移量为y=y1+y2=0.012m,方向竖直向下;
y的计算方法Ⅱ:由三角形相似,有=
即=
解得y=0.012m
(3)当u=22.5V时,电子飞出电场的动能最大,
EK=mv2=
m(
+
)=
×9×10-31[(2×107)2+(2×106)2]=1.82×10-16J
答:(1)每个电子从B板上的小孔O′射出时的速度是2×107m/s
(2)打在荧光屏上的电子范围是y=0.012m;
(3)打在荧光屏上的电子的最大动能是1.82×10-16J.
如图所示,电源电动势E=60V,内阻r=1Ω,R1=3Ω,R2=6Ω.间距d=0.03m的两平行金属板A、B水平放置,闭合开关S,两板之间存在着匀强电场.在B板上开有两个间距为L=1.2m的小孔.M、N为两块同心1/4圆弧形金属板,圆心都在贴近B板的O′处,两板间的距离很近,两板上端的中心线正对着B板上的小孔(与B板的间隙可忽略不计),下端切线水平,P点恰好在O′的正下方,两圆弧形金属板间的电场强度可认为大小处处相等,方向都指向O′.现从正对B板小孔紧靠A板的O处由静止释放一个质量为m=1.0×10-5Kg、电量为q=1×10-3C的带正电微粒(微粒的重力不计),问:
(1)微粒穿过B板小孔时的速度多大;
(2)为了使微粒能在MN板间运动而不碰板,MN板间的电场强度大小应满足什么条件;
(3)从释放微粒开始,经过多长时间微粒通过两圆弧形金属板?
(4)为了让P点出射的带电粒子能射到B板的右侧C点小孔,现在P点外侧虚线框内另加一个竖直方向的有界匀强电场,则电场强度E为多少?
正确答案
(1)因为平行金属板和电阻R1并联,故根据闭合电路欧姆定律可得:
UAB=E=
60V=18V
根据动能定理,粒子通过AB过程中电场力对粒子做的功等于粒子动能的变化:
qUAB=mv2-0
得粒子获得的速度v==
m/s=60m/s.
(2)粒子以v=60m/s进入MN电场,在电场力作用下沿轨道做匀速圆周运动,根据题意知轨道的半径R==0.6m,电场力提供圆周运动的向心力
qEMN=m得
MN间电场强度EMN==
N/C=60N/C.
(3)粒子在AB间做初速度为0的匀加速直线运动,粒子受到电场力F=q,粒子产生的加速度a=
,则粒子通过AB所用的时间
t1==
=
=
s=10-3s
当粒子从O到P刚好经过圆周,已知粒子圆周运动的线速度v=60m/s,半径R=0.6m,可知,粒子运动时间
t2==
s=0.016s
则粒子从释放到通过两圆弧形金属板所需的时间t=t1+t2=0.001+0.016s=0.017s.
(4)因为从P点射出是粒子速度v=60m/s在水平方向,为使粒子落在右侧C点,在区域中加入竖直向上的匀强电场,使得粒子在水平方向以v=60m/s做匀速直线运动,在竖直方向粒子在电场力作用下做初速度为0的匀加速直线运动,根据题意粒子落在C点的过程中,粒子在水平和竖直方向的位移均为=0.6m,令所加电场为E
则有:竖直方向加速度a=,水平方向位移为0.6m,速度为60m/s,则有:
即:
代入数据可解得:E=120N/C.
答:(1)微粒穿过B板小孔时的速度为60m/s;
(2)为了使微粒能在MN板间运动而不碰板,MN板间的电场强度大小应满足EMN=60N/C;
(3)从释放微粒开始,经过0.017s微粒通过两圆弧形金属板;
(4)为了让P点出射的带电粒子能射到B板的右侧C点小孔,现在P点外侧虚线框内另加一个竖直方向的有界匀强电场,则电场强度E为120N/C.
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