- 带电粒子在电场中运动的综合应用
- 共1139题
如图所示,ABC是固定在竖直平面内的绝缘圆弧轨道,圆弧半径为R.A点与圆心O等高,B、C点处于竖直直径的两端.PA是一段绝缘的竖直圆管,两者在A点平滑连接,整个装置处于方向水平向右的匀强电场中.一质量为m、电荷量为+q的小球从管内与C点等高处由静止释放,一段时间后小球离开圆管进入圆弧轨道运动.已知匀强电场的电场强度E=(g为重力加速度),小球运动过程中的电荷量保持不变,忽略圆管和轨道的摩擦阻力.求:
(1)小球到达B点时速度的大小;
(2)小球到达B点时对圆弧轨道的压力;
(3)小球在圆弧轨道运动过程中速度最大为多少?
正确答案
(1)小球从P运动到A的过程中,由动能定理得:
解得:
(2)小球在最低点B时,根据牛顿第二定律得:
则由牛顿第三定律得:小球对圆弧轨道的压力大小为mg.
(3)对小球,等效最低点为F点,在F点小球的速度最大,设OF与竖直方向的夹角为θ,在此位置小球所受的电场力与重力的合力方向沿半径向外,则有:
tanθ==
则知:sinθ=0.6,cosθ=0.8
设小球在圆弧轨道运动过程中速度最大为vm,小球从P到F的过程,根据动能定理得:
mgR(1+cosθ)+qER(1+sinθ)=m
解得:vm=
答:(1)小球到达B点时速度的大小是;
(2)小球到达B点时对圆弧轨道的压力是mg;
(3)小球在圆弧轨道运动过程中速度最大为.
如图所示,B板电势为U,质量为m的带电粒子(重量不计)以初速v0水平射入电场.若粒子带-q电量,则粒子到达B板时速度大小为______;若粒子带+q电量,它到达B板时速度大小为______.
正确答案
(1)AB两极板间的电势差UAB=(0-U),粒子的带电量-q,
由动能定理得:-qUAB=mv2-
mv02,
解得:v=
(2)AB两极板间的电势差UAB=(0-U),粒子的带电量q,
由动能定理得:qUAB=mv2-
mv02,
解得:v=
故答案为::;
.
如图甲所示,A、B是一对平行放置的金属板,中心各有一个小孔P、Q,P、Q 连线垂直金属板,两极板间距离为d,从P点处连续不断地有质量为m,带电量为m的带正电粒子沿P、Q方向放出,带电粒子的初速度和重力均忽略不计.从t = 0开始,在A、B间加上如图乙所示的交变电压,周期为T,电压为U.带电粒子在A、B间运动过程中,粒子间的相互作用力忽略不计.
(1)如果只有在每个周期为0~T/4时间内放出的带电粒子才能从小孔Q中射出,则上述物理量之间满足怎样的关系?
(2)如果各物理量满足第(1)问中的关系,求每个周期从小孔Q中有粒子射出的时间与周期T的比值.
正确答案
(1)即.(2)
(1)依题意可知,t=T/4从P孔进入的带电粒子恰能从Q孔射出,则 , 即
.
(2)设t=0时刻进入的带电粒子在t1时刻射出,则由题意分析可知t1<T/2 ,所以有
,解得
.
又t=T/4时刻进入的带电粒子应在t2=3T/4时刻射出,故
本题考查带电粒子在交变电场中的运动,由电场力提供加速度,F=qE=qU/d,a=qU/md由此可判断加速度与时间的图像与U-t图像完全相同,在前半个周期向右做匀加速直线运动,在后半个周期向右做匀减速直线运动,由对称性可知在T末带电粒子的速度减小到零,可判断出粒子一直向右运动,由运动学公式可求得第一问关系,设t=0时刻进入的带电粒子在t1时刻射出,则由题意分析可知,匀加速位移为d,由运动学公式可求得运动时间与周期T的关系
如图所示,直空中有以O′为圆心,r为半径的圆柱形匀强磁场区域,圆的最下端与x轴相切于直角坐标原点O,圆的右端与平行于y轴的虚线MN相切,磁感应强度为B,方向垂直纸面向外,在虚线MN右侧x轴上方足够大的范围内有方向竖直向下、场强大小为E的匀强电场.现从坐标原点O向纸面不同方向发射速率相同的质子,质子在磁场中做匀速圆周运动的半径也为r,已知质子的电荷量为e,质量为m,不计质子的重力、质子对电磁场的影响及质子间的相互作用力.求:
(1)质子进入磁场时的速度大小
(2)沿y轴正方向射入磁场的质子到达x轴所需的时间.
正确答案
(1)由洛伦兹力提供向心力,由牛顿第二动律得:
Bev=
得:v=
(2)若质子沿y轴正方向射入磁场,则以N为圆心转过圆弧后从A点垂直电场方向进入电场,
质子在磁场中圆周运动周期有:
T=
得:t1=T
进入电场后质子类平抛,
y方向上 a=
位移 y=r=a
得:t2=
则总时间:t=t1+t2
由以上得:t=+
如图中竖直方向的平行线表示匀强电场的电场线,但未标明方向.电场中有一个带电量为-q的微粒,仅受电场力的作用,从M点运动到N点,动能增加了△Ek,则该电荷的运动轨迹不可能是虚线______(选“a”或“b”);若M点的电势为U,则N点电势为______.
正确答案
从M点运动到N点,动能增加,知电场力做正功,则电场力方向向下,轨迹弯曲大致指向合力的方向,可知电荷的运动轨迹为虚线a,不可能是虚线b.电场力方向方向向下,则电场强度方向向上,N点的电势大于M点的电势,根据动能定理知,qU=△Ek,则N、M两点间的电势差大小U=,所以UN-U=
,则UN=U+
.
故答案为:b,U+.
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