- 带电粒子在电场中运动的综合应用
- 共1139题
如图(甲)所示为电视机中显像管的原理示意图,电子枪中的灯丝加热阴极而逸出电子,这些电子再经加速电场加速后,从O点进入偏转磁场中,经过偏转磁场后打到荧光屏MN上,使荧光屏发出荧光形成图象,不计逸出电子的初速度和重力.已知电子的质量为m、电荷量为e,加速电场的电压为U,偏转线圈产生的磁场分布在边长为l的正方形abcd区域内,磁场方向垂直纸面,且磁感应强度随时间的变化规律如图乙所示.在每个周期内磁感应强度都是从-B0均匀变化到B0.磁场区域的左边界的中点与O点重合,ab边与OO′平行,右边界bc与荧光屏之间的距离为s.由于磁场区域较小,且电子运动的速度很大,所以在每个电子通过磁场区域的过程中,可认为磁感应强度不变,即为匀强磁场,不计电子之间的相互作用.
(1)求电子射出加速电场时的速度大小
(2)为使所有的电子都能从磁场的bc边射出,求偏转线圈产生磁场的磁感应强度的最大值B0
(3)荧光屏上亮线的最大长度是多少.
正确答案
(1)设电子射出电场的速度为v,则根据动能定理,对电子加速过程有mv2=eU
解得v=
(2)当磁感应强度为B0或-B0时(垂直于纸面向外为正方向),
电子刚好从b点或c点射出,设此时圆周的半径为R1.
如图
所示,根据几何关系有:R2=l2+(R-)2
解得R=L
电子在磁场中运动,洛仑兹力提供向心力,因此有:evB0=m,
解得B0=
(3)根据几何关系可知,tanα=
设电子打在荧光屏上离O′点的最大距离为d,
则d=+s•tanα=
+
s
由于偏转磁场的方向随时间变化,根据对称性可知,荧光屏上的亮线最大长度为D=2d=l+s
答:(1)电子射出加速电场时的速度大小为v=.
(2)偏转线圈产生磁场的磁感应强度的最大值B0=.
(3)荧光屏上亮线的最大长度是l+s.
如图所示,劲度系数为k的轻弹簧,右端连在竖直墙面上,左端连着不带电的绝缘小球B,开始时B球静止在光滑绝缘水平面上.整个装置处在场强大小为E、方向水平向右的匀强电场中.现把一质量为m、带电荷量为+q的小球A,从距B球s处自由释放,A将与B发生正碰.碰撞中无机械能损失,且A球的电荷量始终不变.已知B球的质量M=2m,B球被碰后作简谐运动,其运动周期T=2π(A、B小球均可视为质点).求:
(1)A球与B球第一次相碰前A的速度大小;
(2)两球第一次碰后瞬间,A球的速度v1和B球的速度v2;
(3)要使A球与B球第二次仍在B球的初始位置相碰,弹簧劲度系数k的可能取值.
正确答案
(1)设A球与B球第一次碰撞前瞬间的速度为v0,由动能定理得:
qE•s=mv2
解得:v0=
(2)由于碰撞过程极短,系统的动量守恒:
mv0=mv1+Mv2
碰撞过程中无机械能损失,则有:m
=
m
+
M
联立解得:v1=-,负号表示方向向左,v2=
,方向向右.
(3)因|v1|<v2,要使m与M第二次碰撞仍发生在原位置,则只能是迎面相碰,所用的时间t满足:t=(n+)T(n=0,1,2,3…)
A球在电场中受电场力作用向左做减速运动至速度为0后又向右作加速运动:qEt=m(-v1)-mv1
由题知:T=2π
解得:k=(n=0,1,2,3…)
答:
(1)A球与B球第一次相碰前A的速度大小为;
(2)两球第一次碰后瞬间,A球的速度v1和B球的速度v2分别为v1=-,负号表示方向向左,v2=
,方向向右.
(3)要使A球与B球第二次仍在B球的初始位置相碰,弹簧劲度系数k的可能取值为:k=(n=0,1,2,3…).
如图所示电子射线管.阴极K发射电子,阳极P和阴极K间加上电压后电子被加速.A、B是偏向板,使飞进的电子偏离.若已知P、K间所加电压UPK=2.5×103V,偏向板长L=6.0×10-2m,板间距离d=10-2m,所加电压UAB=100V.R=14×10-2m.电子质量me=9.1×10-31kg,电子电量e=-1.6×10-19C.设从阴极出来的电子速度为0.
试问:
(1)电子通过阳极P板的速度υ0是多少?
(2)电子通过偏向板时具有动能Ek是多少?
正确答案
(1)电子在阳极P和阴极K间运动,由根据动能定理得
eUPK=m
得,v0==2.96×107m/s
(2)电子沿板的方向做匀速直线运动,则电子在板间运动的时间:t=
电子运动的加速度:a==
电子离开电场时沿场强方向的侧移:y=at2=0.01m
根据动能定理有:ey=Ek-
m
即 Ek=ey+UPKe=4.44×10-16J
答:(1)电子通过阳极P板的速度υ0是2.96×107m/s.
(2)电子通过偏向板时具有动能Ek是4.44×10-16J.
如图所示,带电量为q=1×10-5C的带电粒子(初速度为零,重力不计)质量为m=2×10-5kg,经电压U1=4×104V加速后以速度v0垂直进入偏转电场,两平行板间的距离为d=1cm,偏转电压U2=800V,板长L=10cm.求:
(1)带电粒子进入偏转电场时的速度v0多大?
(2)带电粒子离开电场时的偏转量是y多大?
正确答案
(1)在加速电场运动过程中,由动能定理:
qU1=m
得
v0==
=200m/s
(2)带电粒子在偏转电场中的加速度:
a==
=
带电粒子在电场的运动时间:t=
带电粒子离开电场时的偏转量:y=at2=
y=
=
m=0.005m=5mm
答(1)进入偏转电场时的速度为200m/s
(2)偏转量是5mm
如图所示,某空间有一竖直向下的匀强电场,电场强度E,一块足够大的接地金属板水平放置在匀强电场中,在金属板的正上方高度h的a处有一微粒源,盒内微粒以V0的初速度向水平面以下的各个方向均匀放出质量为m,电荷量为q的带正电微粒,粒子最终落在金属板b上.求:(要考虑微粒的重力,阻力不计)
(1)微粒源所在处a点的电势?
(2)带电微粒打在金属板上时的动能?
(3)从微粒源射出的粒子打在金属板上的范围(所形成的面积)?若使带电微粒打在金属板上的范围增大,可以通过改变哪些物理量来实现?(至少答两种)
正确答案
解(1)题中匀强电场竖直向下,a点电势高于b,而b板接地,因此 微粒源所在处a点的电势为 φa=Eh.
(2)微粒在运动过程中,重力和电场力做功,对微粒由动能定理得
mgh+qEh=Ek-m
解得,带电粒子打在金属板上时的动能为Ek=mgh+qEh+m
(3)粒子源射出的微粒打在金属板上的范围以微粒水平抛出为落点边界,由类平抛运动知识可得:
x=v0t
h=at2
又a=
微粒源射出的粒子打在金属板上形成的圆形面积为S=πx2
联立解得 S=
由上式可知,要增大S,可以通过增大h,或增大v0,增大m或减小E减小q来实现.
答:(1)微粒源所在处a点的电势为Eh.
(2)带电微粒打在金属板上时的动能为mgh+qEh+m
o
(3)从微粒源射出的粒子打在金属板上的范围为.若使带电微粒打在金属板上的范围增大,可以通过增大h,或增大v0,增大m或减小E减小q来实现.
扫码查看完整答案与解析