- 带电粒子在电场中的加速
- 共3430题
如图所示,两组平行带电金属板,一组竖直放置,两板间所加电压为U0,另一组水平放置,板长为L,两板间的距离为d,有一个质量为m,带电荷量为+q微粒,从紧靠竖直板上的A点由静止释放后,经B点进入水平金属板并从两板间射出.B点位于两水平金属板的正中间,微粒所受重力忽略不计,求:
①该微粒通过B点时的速度大小
②该微粒通过水平金属板的时间
③为使该微粒从两极板射出时的动量最大,加在水平金属板间的电压U应为多大?
正确答案
解:①微粒从A点到B点,由动能定理得:
qU0=mvB2-0,解得:vB=
;
②微粒通过水平金属板的过程中做匀速直线运动,
由匀速运动的位移公式得:L=vBt,
解得:t=L;
③为使微粒出射时的动能最大,要求微粒从极板边缘出射
水平方向:L=vBt,
竖直方向:=
at2,
由牛顿第二定律得:a=,
解得:U=U0;
答:①该微粒通过B点时的速度大小为:;
②该微粒通过水平金属板的时间为:L;
③为使该微粒从两极板射出时的动量最大,加在水平金属板间的电压U=U0.
解析
解:①微粒从A点到B点,由动能定理得:
qU0=mvB2-0,解得:vB=
;
②微粒通过水平金属板的过程中做匀速直线运动,
由匀速运动的位移公式得:L=vBt,
解得:t=L;
③为使微粒出射时的动能最大,要求微粒从极板边缘出射
水平方向:L=vBt,
竖直方向:=
at2,
由牛顿第二定律得:a=,
解得:U=U0;
答:①该微粒通过B点时的速度大小为:;
②该微粒通过水平金属板的时间为:L;
③为使该微粒从两极板射出时的动量最大,加在水平金属板间的电压U=U0.
如图所示,A、B是位于竖直平面内、半径R=0.5m 的
圆弧形的光滑绝缘轨道,其下端点B与水平绝缘轨道平滑连接,整个轨道处在水平向左的匀强电场中,电场强度E=1×104N/C.今有一质量为m=0.1kg、带电荷量+q=7.5×10-5C的小滑块(可视为质点)从A点由静止释放.若已知滑块与水平轨道间的动摩擦因数μ=0.05,取g=10m/s2,求:
(1)小滑块第一次经过圆弧形轨道最低点B时对B点的压力;
(2)小滑块在水平轨道上通过的总路程;
(3)判定小滑块最终能否停止运动,如能:计算其最终位置予以表述;如不能:定性判定其最终运动状态.(可能用到的三角函数:tan37°=0.75)
正确答案
解:(1)设滑块在B点速度为v,对滑块从A到B的过程应用动能定理,
mgR-EqR=mv2 ①
设滑块在B点对B点压力为F,轨道对滑块支持力为F′,由牛顿第三定律得,两力大小满足:
F′=F ②
对滑块由牛顿第二定律得:
F′-mg= ③
由①②③得,F=3mg-2Eq=3×0.1×10-2×7.5×10-5×1×104=1.5N ④
(2)由于滑块在水平面上的滑动摩擦力f=μmg=0.05×0.1×10N=0.05N<Eq=1×104×7.5×10-5=0.75N⑤
故滑块最终将会不会静止在水平轨道上;又由于圆弧轨道是光滑的,滑块在圆弧轨道上也不会静止;当滑块到达B的速度恰好等于0时,滑块在水平面内的路程最大:
设滑块在水平轨道上通过的总路程为s,对全程应用动能定理得:
mgR-EqR-fs=0 ⑥
由⑤⑥⑦可得:=
m
(3)由(2)的分析可得,滑块在水平轨道和圆弧轨道上都不会静止,滑块将以某一点为中心来回做往复运动;设其平衡位置和圆心与竖直平面的夹角为θ,则:
所以:θ=37°
即:滑块将以与和圆心与竖直平面的夹角为37°的一点为中心来回做往复运动.
答:(1)滑块第一次经过圆弧形轨道最低点B时对B点的压力1.5N;
(2)小滑块在水平轨道上通过的总路程为2.5m;
(3)不会停止,滑块将以与和圆心与竖直平面的夹角为37°的一点为中心来回做往复运动.
解析
解:(1)设滑块在B点速度为v,对滑块从A到B的过程应用动能定理,
mgR-EqR=mv2 ①
设滑块在B点对B点压力为F,轨道对滑块支持力为F′,由牛顿第三定律得,两力大小满足:
F′=F ②
对滑块由牛顿第二定律得:
F′-mg= ③
由①②③得,F=3mg-2Eq=3×0.1×10-2×7.5×10-5×1×104=1.5N ④
(2)由于滑块在水平面上的滑动摩擦力f=μmg=0.05×0.1×10N=0.05N<Eq=1×104×7.5×10-5=0.75N⑤
故滑块最终将会不会静止在水平轨道上;又由于圆弧轨道是光滑的,滑块在圆弧轨道上也不会静止;当滑块到达B的速度恰好等于0时,滑块在水平面内的路程最大:
设滑块在水平轨道上通过的总路程为s,对全程应用动能定理得:
mgR-EqR-fs=0 ⑥
由⑤⑥⑦可得:=
m
(3)由(2)的分析可得,滑块在水平轨道和圆弧轨道上都不会静止,滑块将以某一点为中心来回做往复运动;设其平衡位置和圆心与竖直平面的夹角为θ,则:
所以:θ=37°
即:滑块将以与和圆心与竖直平面的夹角为37°的一点为中心来回做往复运动.
答:(1)滑块第一次经过圆弧形轨道最低点B时对B点的压力1.5N;
(2)小滑块在水平轨道上通过的总路程为2.5m;
(3)不会停止,滑块将以与和圆心与竖直平面的夹角为37°的一点为中心来回做往复运动.
一个质量为m、电荷量为q的带电粒子以平行于两极板的速度v0进入匀强电场,如图所示.如果两极板间电压为U,两极板间的距离为d、板长为L.设粒子束不会击中极板,求粒子从进入电场到飞出极板时电势能的变化量.(粒子的重力忽略不计)
正确答案
解:水平方向匀速,则运动时间t=
①
竖直方向加速,则侧移②
且③
由①②③得
则电场力做功
由功能原理得电势能减少了
答:电势能减少了
解析
解:水平方向匀速,则运动时间t=
①
竖直方向加速,则侧移②
且③
由①②③得
则电场力做功
由功能原理得电势能减少了
答:电势能减少了
如图所示,有一种比荷未知的带电粒子,以相等的速度从P点垂直射入有界匀强电场中,已知电场强度大小为E,测得粒子从N点飞离电场时沿电场方向的位移为y.今把电场撤去,在原电场所在的范围加上垂直纸面向外的匀强磁场,粒子入射点和入射速度均不变,调节磁感强度的大小,使粒子从N点飞出磁场时,磁感强度大小为B.求此种带电粒子的比荷.
正确答案
解:粒子在电场中,做类平抛运动:L=v0t …①
粒子沿电场方向的加速度为: …②
粒子沿电场方向的位移为: …③
粒子在磁场中做匀速圆周运动: …④
设粒子轨迹半径为r,由几何关系:(r-y)2+L2=r2 …⑤
…⑥
解得:
答:此种带电粒子的比荷
解析
解:粒子在电场中,做类平抛运动:L=v0t …①
粒子沿电场方向的加速度为: …②
粒子沿电场方向的位移为: …③
粒子在磁场中做匀速圆周运动: …④
设粒子轨迹半径为r,由几何关系:(r-y)2+L2=r2 …⑤
…⑥
解得:
答:此种带电粒子的比荷
平行板电容器两板间的电压为U,板间距离为d,一个质量为m,电荷量为q的带电粒子从该电容器的正中央沿与匀强电场电场线垂直的方向射入,不计重力.当粒子的入射初速度为v0时,它恰好能穿过电场而不碰到金属板.现在使该粒子以v0/2的初速度以同样的方式射入电场,下列情况正确的是( )
正确答案
解析
解:设平行板长度为L.粒子恰能穿过一电场区域而不碰到金属板上,则
沿初速度方向做匀速运动:t= ①
垂直初速度方向做匀加速运动:a= ②
则 y==
at2=
③
A、B、若粒子的入射速度为,该粒子将不能射出电场,偏转的距离仍为y=
.由③式知,t=
,d和a均不变,所以该粒子在电场中的运动时间不变,故A正确,B错误.
C、D根据动能定理得:动能的变化量△Ek=qEy=q•
,则知该粒子动能的变化量不变,故C正确.
D、由上知,动能变化量不变,根据能量守恒定律得知,该粒子电势能的变化量也不变,故D错误.
故选:AC
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