- 带电粒子在电场中运动的综合应用
- 共1139题
如图所示,平行正对金属板相距为d,板长为L,板间电压为U,C是宽为d的挡板,其上下两端点与A和B板水平相齐,且C离金属板与屏S的距离均为,C能吸收射到它表面的所有粒子.现让电荷量为q的带电粒子沿A、B两板中线入射,带电粒子的质量、速率均不相同,不计重力.求:
(1)带电粒子到达屏S上的宽度;
(2)初动能多大的粒子能到达屏上.
正确答案
(1)带电粒子进入电场后做类平抛运动,从右侧飞出电场后做匀速直线运动,这时速度方向的反向延长线与粒子射入方向恰相交于两极板的正中央O1点,如图所示.
带电粒子到达屏S上的宽度为A´B´,由图可知:
A´B´=O´B´-O´A´
由几何关系:=
得O´B´=
d
=
得O´A´=
d
故带电粒子到达屏S上的宽度为d.
所以A´B´=d-
d=
,即带电粒子到达屏S上的宽度为
.
(2)设从偏转电场边缘射出的粒子偏向角为θ1,由几何关系有:
tgθ1==
=
,cosθ1=
,
则该粒子射出电场的速度υt1==
,
由动能定理得:=
mυt2-
mυ02=
mυ0 2 (
-1)
所以此粒子的动能为mυ0 2=
.
设从挡板边缘射出的粒子偏向角为θ2,由几何关系有:
tgθ2==
=d
,cosθ2=
,
则该粒子射出电场的速度υt2==
,
由动能定理得:=
mυt22-
mυ02=
mυ0 2 (
-1)
所以此粒子的动能为 mυ0 2=
.
所以,初动能满足<EK<
的粒子能到达屏上.
如图所示,四个电阻阻值均为R,电键S闭合时,有一质量为m,带电量为q的小球静止于水平放置的平行板电容器的中点.现打开电键S,这个带电小球便向平行板电容器的一个极板运动,并和此板碰撞,碰撞过程中小球没有机械能损失,只是碰后小球所带电量发生变化,碰后小球带有和该板同种性质的电荷,并恰能运动到另一极板,设两极板间距离为d,不计电源内阻,求:
(1)电源电动势E多大?
(2)小球与极板碰撞后所带的电量为多少?
正确答案
(1)当S闭合时,电容器电压为U,则:U=•R=
E ①
对带电小球受力分析得:=mg ②
由①②式 解得:E= ③
(2)断开S,电容器电压为U′,则:U′=•R=
④
对带电小球运动的全过程,根据动能定理得:q′U′-mg-q
=0 ⑤
由③④⑤解得:q′=q ⑥
答:
(1)电源电动势E是.
(2)小球与极板碰撞后所带的电量为q.
如图所示,A、B为平行金属板,两板相距为d,接在电压为U的电源上,在A板的中央有一小孔M.今有一质量为m的带电质点,自A板上方相距为h的O点由静止自由下落,穿过小孔M后到达距B板d的N点时速度恰好为零.若把A板向下平移
d,带电质点仍从O点由静止自由下落.试求:
(1)带电质点的电荷量并指出带什么电.
(2)带电质点能否到达B板?若能,求出质点到达B板时的速度大小.若不能,求出质点速度为零的位置距B板的距离.
正确答案
(1)质点先做自由落体运动到M点,到达N孔时速度恰好为零,说明在MN间做减速运动,合外力向上,所以电场力方向向上,而电场强度方向向下,所以质点带负电,
根据动能定理得:
mgh(h+d)-
qU=0-0
解得:q=
(2)设质点速度为零的位置距离B板的距离为x,则根据动能定理得:
mg(h+d-x)-qU=0-0
解得:x=
答:(1)带电质点的电荷量为,带负电.
(2)带电质点不能到达B板,质点速度为零的位置距B板的距离为.
如图所示,竖直放置的半圆形绝缘轨道半径为R,下端与光滑绝缘水平面平滑连接,整个装置处于方向竖直向上的匀强电场E中.一质量为m、带电荷量为+q的物块(可视为质点),从水平面上的A点以初速度v0水平向左运动,沿半圆形轨道恰好通过最高点C,场强大小为E(E小于).
(1)试计算物块在运动过程中克服摩擦力做的功.
(2)证明物块离开轨道落回水平面过程的水平距离与场强大小E无关,且为一常量.
正确答案
在图(l)中 A和B是真空中的两块面积很大的平行金属板,A、B间的电压 UAB随时间变化的规律如图(2)所示,在图(1)中O点到A和B的距离皆为l,在O处不断地产生电荷量为q、质量为m的带负电的微粒,在交变电压变化的每个周期T内,均匀产生300个上述微粒,不计重力,不考虑微粒之间的相互作用,这种微粒产生后,从静止出发在电场力的作用下运动,设微粒一旦碰到金属板,它就附在板上不再运动.且其电量同时消失,不影响A、B板的电势.已知上述的T=1.2×10-2s.U0=1.2×103 V,微粒电荷量q=10-7C,质量m=5×10-10kg,l=0.6m.
试求:
(l)在t=0时刻出发的微粒,会在什么时刻到达哪个极板?
(2)在t=0到t=T/2这段时间内哪个时刻产生的微粒刚好不能到达A板?
(3)在t=0到t=T/2这段时间内产生的微粒中有多少个微粒可到达A板?
正确答案
(1)设在t=0时刻产生的微粒在t1时刻到达A板,且t1<.
在此过程中微粒加速度a1==
m/s2=2×105m/s2.①
由l=a1t12得,t1=
=2.45×10-3s ②
t1<,所以假设成立,该微粒在t1=2.45×10-3s的时刻到达A板.
(2)设在t=0到t=这段时间内的t2时刻产生的微粒刚好不能到达A板,设此微粒在
-T时间内的t3时刻到达A板时的速度刚好为零.
-t3时间内的加速度a2=
=
=4×105m/s2.③
微粒在时刻的速度v1=a1(
-t2)=a2(t3-
). ④
微粒在t2-t3时间内的位移l=a1(
-t2)2+
a2(t3-
)2 ⑤
由④⑤式得t2=4×10-3s. ⑥
t3=7×10-3s<T,所以假设成立,t2=4×10-3s时刻产生的微粒刚好不能到达A板.
(3)t2时刻产生的微粒在t3时刻到达A板时的速度为零,并立即返回,设t3-T时间内一直向B板运动,则其位移s1为:
s1=a2(T-t3)2=
×4×105×(1.2×10-2-7×10-3)2=5.0m>2l ⑦
即该微粒一定会被B板吸收,在t=0时刻到t=这段时间内的t2时刻及其以后产生的微粒都不能到达A板.
所以在t=0到t=这段时间内能到达A板微粒的个数为:
n=N=
×300=100.
答:(1)该微粒在t1=2.45×10-3s的时刻到达A板.
(2)在t=0到t=这段时间内t2=4×10-3s时刻产生的微粒刚好不能到达A板.
(3)在t=0到t=这段时间内能到达A板微粒的个数为100个.
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