- 带电粒子在电场中运动的综合应用
- 共1139题
如图所示,在真空中的竖直平面内,用长为2L的绝缘轻杆连接两个质量均为m的带电小球A和B,A球的电荷量为+4q,B球的电荷量为-2q,组成一带电系统。虚线MN与PQ平行且相距3L,开始时PQ恰为杆的中垂线。在MN与PQ间加竖直向上的匀强电场,恰能使带电系统静止不动。现使电场强度突然变为原来的3倍(已知当地重力加速度为g),求:
(1)B球刚进入电场时的速度v1的大小;
(2)带电系统运动的周期T。
正确答案
解:(1)设带电系统静止时,电场强度为E,有
,得
①
电场强度变为原来3倍后,从开始静止到B进入电场,根据动能定理有
②
联立①②得,B球刚进入电场时的速度
(2)B球进入电场前由牛二定律
又动运学公式,得
B球进入电场后,AB系统,由牛顿第二定律③
①联立得,方向向上,可知B球进入电场后AB系统仍向上加速,直至A球离开电场,设A球离开电场时,B球速度为V2从B球进入电场至A球离开电场,根据动能定理
解得
从B球进入电场至A球离开电场经历的时间为t2
从A球出电场后:由牛顿第二定律,对系统
减速至速度为0的位移
故最终速度减为0时,B球未出电场
此过程时间
上升过程时间
根据上下运动的对称性,可知:AB系统运动的周期为
如图所示,在平面的第一象限内,存在以轴、轴及双曲线(0≤≤,0≤≤)的一段为边界的匀强电场区域I,在第二象限内的
、
所包围的区域内存在匀强电场区域II。两个区域的场强大小均为,不计电子所受重力。求:
(1)从电场区域I边界点处由静止释放电子,电子离开区域时的位置;
(2)由电场区域I边界曲线上由静止释放电子,电子离开区域时的最小动能;
(3)若将左侧电场II整体水平向左移动(≥1),要使电子从=-2、=0处离开电场区域II,在电场区域I区域内由静止释放电子的所有位置.
正确答案
解:(1)关于点,其纵坐标,相应横坐标
当电子加速到y轴位置时,,得
电子以速度水平射入电场区域II,做类平抛运动
假设穿出,则有=,,
解得,即电子恰从点射出
(2)设释放位置坐标为(,),,=,
,
解得,即所有从边界曲线上由静止释放的电子均从点射出
从边界出发到点射出的全过程,由动能定理=()
又
故当==/2时,动能有最小值
(3)设释放位置坐标为(,),,
,
,
解得
如图所示,匀强电场方向沿x轴的正方向,场强为E。在点有一个静止的中性微粒,由于内部作用,某一时刻突然分裂成两个质量均为m的带电微粒,其中电荷量为q的微粒1沿y轴负方向运动,经过一段时间到达
点。不计重力和分裂后两微粒间的作用。试求
(1)分裂时两个微粒各自的速度;
(2)当微粒1到达(点时,电场力对微粒1做功的瞬间功率;
(3)当微粒1到达(点时,两微粒间的距离。
正确答案
解:(1)微粒1在y方向不受力,做匀速直线运动;在x方向由于受恒定的电场力,做匀加速直线运动。所以微粒1做的是类平抛运动。设微粒1分裂时的速度为v1,微粒2的速度为v2,则有:
在y方向上有:-
在x方向上有:,-
,根号外的负号表示沿y轴的负方向
中性微粒分裂成两微粒时,遵守动量守恒定律,有
,方向沿y正方向
(2)设微粒1到达(0,-d)点时的速度为v,则电场力做功的瞬时功率为
其中由运动学公式
所以
(3)两微粒的运动具有对称性,如图所示,当微粒1到达(0,-d)点时发生的位移
则当当微粒1到达(0,-d)点时,两微粒间的距离为
如图所示,为一个实验室模拟货物传送的装置,A是一个表面绝缘质量为2kg的长板车,车置于光滑的水平面上,在车左端放置一质量为1kg带电量为q=1×10-2C的绝缘小货物B,在全部传送途中有一水平电场,可以通过开关控制其有、无及方向。先产生一个方向水平向右,大小E1=3×102N/m的电场,车和货物开始运动,作用时间2s后,改变电场,电场大小变为E2=1×102N/m,方向向左,电场作用一段时间后,关闭电场,关闭电场时车右端正好到达目的地,货物到达车的最右端,且车和货物的速度恰好为零。已知货物与车间的动摩擦因数μ=0.1,(车不带电,货物体积大小不计,g取10m/s2)求:
(1)第二次电场作用的时间;
(2)车的长度。
正确答案
解:(1)因为车最大加速度
货物和车若以相同加速度一起运动,
所以,货物和车不可能以相同加速度一起运动
货物
车
经t1=2s货物运动
车运动
货物V1=a1t1=2×2=4m/s,向右
车V2=a2t1=0.5×2=1m/s,向右
经2秒后,货物作匀减速运动,,向左
车加速度不变,仍为a2=0.5m/s2,向右
当两者速度相等时,共同速度为V=V1-a1′t2,V=V2+a2′t2
t2=1.2s,V=1.6m/s
以后因为若物和车若以相同加速度一起运动,
所以货物和车一起作为整体向右作匀减速直到速度都为0
货物和车获得共同速度至停止运动用时
第二次电场作用时间为t=t2+t3=6s
(2)由题意,可得,当货物和车速度相等时,货物恰好移到车的最右端
车在t2时间内位移S3=V2t2+a2t22=
m=1.56m
货物在t2时间内位移为S4=V1t2-a1′t22=
m=3.36m
车长度L=S1-S2+S4-S3=m=4.8m
如图1所示,真空中相距d=5cm的两块平行金属板A、B与电源连接(图中已画出),其中B板接地(电势为零),A板电势变化的规律如图2所示。将一个质量m=2.0×10-27 kg,电量q=+1.6×10-4 g的带电粒子从紧临B板处释放,不计重力。求
(1)在t=0时刻释放该带电粒子,释放瞬间粒子加速度的大小;
(2)若A板电势变化周期T=1.0×10-5 s,在t=0时将带电粒子从紧临B板处无初速释放,粒子到达A板时动量的大小;
(3)A板电势变化频率多大时,在到
时间内从紧临B板处无初速释放该带电粒子,粒子不能到达A板。
正确答案
解:(1)电场强度
带电粒子所受电场力
(2)粒子在0~时间内走过的距离为
故带电粒子在t=时恰好到达A板
根据动量定理,此时粒子动量p=Ft=4.0×10-23 kg·m/s
(3)带电粒子在T=~t=
向A板做匀加速运动,在t=
~t=
向A板做匀减速运动,速度减为零后将返回。粒子向A板运动可能的最大位移
要求粒子不能到达A板,有s<d
由,电势变化频率应满足
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