- 带电粒子在电场中的加速
- 共3430题
如图甲所示,质量为m、电量为q的正离子束(重力不计),以速度v0(v0很大),水平进入平行板电容器,进入位置为两板正中间.已知两板相距为d,板长为L,在平行板右侧,紧挨下板,且和下板处在同一平面的位置上放置一块长度也为L的荧光板.现在两平行板间加载随时间周期性变化的电压,如图乙所示.为使所有离子都能打在荧光板上,求:
(1)所加载电压的最大值和最小值分别为多大?
(2)这些离子中动能的最小增量为多大?
正确答案
解:(1)恰好打到板左边时,粒子的偏移量最小对应的电压最小,即:,由平抛运动知识可得:水平方向匀速运动:由L=v0t解得:
竖直方向匀加速运动:,
=
,得:
,解得:
,
同理恰好打在板右边,粒子的偏移量最大对应的电压最大,即:,由平抛运动知识可得:水平方向匀速运动:由L=v0t解得:
竖直方向匀加速运动:,
=
,tan
,
粒子出电场后的竖直方向位移:y2=Ltanθ,得:,
解得:,
(2)动能最小增量,根据功能关系,粒子在电场中偏移量最小,动能的增加量最小,由:△Ek=W合,即
答:(1)所加载电压的最大值为:和最小值为:
.
(2)这些离子中动能的最小增量为
解析
解:(1)恰好打到板左边时,粒子的偏移量最小对应的电压最小,即:,由平抛运动知识可得:水平方向匀速运动:由L=v0t解得:
竖直方向匀加速运动:,
=
,得:
,解得:
,
同理恰好打在板右边,粒子的偏移量最大对应的电压最大,即:,由平抛运动知识可得:水平方向匀速运动:由L=v0t解得:
竖直方向匀加速运动:,
=
,tan
,
粒子出电场后的竖直方向位移:y2=Ltanθ,得:,
解得:,
(2)动能最小增量,根据功能关系,粒子在电场中偏移量最小,动能的增加量最小,由:△Ek=W合,即
答:(1)所加载电压的最大值为:和最小值为:
.
(2)这些离子中动能的最小增量为
如图所示,有一电子(电量为e、质量为m)经电压U加速后,沿平行金属板A、B中心线进入两板,A、B板间距为d、长度为L,A、B板间电压也为U,屏CD足够大,距离A、B板右边缘3L,AB板的中心线过屏CD的中心且与屏CD垂直.试求电子束打在屏上的位置到屏中心间的距离.
正确答案
解:设电子经加速电场加速后获得速度v0,经过偏转电场偏转后发生偏移量y,速度偏转角为θ,电子打在屏上的位置到屏中心间的距离为y1,则:
加速电场中有动能定理得:,解得:
…①,
粒子在AB板间运动过程:水平方向由:L=v0t解得:…②,
竖直方向:…③,
=
=
…④,
vy=at=…⑤,
=
=
…⑥,
离开偏转场后电子匀速飞向屏的过程:…⑦,
由①~⑦解得:.
答:电子束打在屏上的位置到屏中心间的距离为.
解析
解:设电子经加速电场加速后获得速度v0,经过偏转电场偏转后发生偏移量y,速度偏转角为θ,电子打在屏上的位置到屏中心间的距离为y1,则:
加速电场中有动能定理得:,解得:
…①,
粒子在AB板间运动过程:水平方向由:L=v0t解得:…②,
竖直方向:…③,
=
=
…④,
vy=at=…⑤,
=
=
…⑥,
离开偏转场后电子匀速飞向屏的过程:…⑦,
由①~⑦解得:.
答:电子束打在屏上的位置到屏中心间的距离为.
如图所示,这就是早期的加速器的原理.若设该加速器两板间电压为1000V,两板间距为20厘米,求一初速度可忽略不计的α粒子(
)通过该加速器所获得的能量?(电子伏特与SI制的能量单位焦耳(J)的换算关系是单位换算:1eV=1.6×10-19J,1MeV=1×106 eV)
正确答案
解:粒子在电场中加速,由动能定理得:qU=mv2-0,
则α粒子获得的能量:
E=mv2=qU=2eU=2×1000=2000eV=2000×1.6×10-19J=3.2×10-16J;
答:α粒子()通过该加速器所获得的能量为:3.2×10-16J.
解析
解:粒子在电场中加速,由动能定理得:qU=mv2-0,
则α粒子获得的能量:
E=mv2=qU=2eU=2×1000=2000eV=2000×1.6×10-19J=3.2×10-16J;
答:α粒子()通过该加速器所获得的能量为:3.2×10-16J.
水平放置的两块平行金属板长L=5.0cm,两板间距d=1.0cm,两板间电压为90v,且上板为正,一个电子沿水平方向以速度v0=2.0×107m/s,从两板中间射入,如图,求:
(1)电子偏离金属板时的侧位移是多少?
(2)电子飞出电场时的速度是多少?
正确答案
解:(1)电子在匀强电场中受到电场力与重力作用,由于电场力:
F=Eq==
=1.44×10-15N
远大于电子的重力(约9×10-30N),故只考虑电场力的作用;由于沿水平方向做匀速直线运动,沿竖直方向做初速度为零的匀加速运动,与平抛物体的运动类似;
电子水平方向上做匀速直线运动,有:
t=
电子在电场中的加速度为:a=
则侧位移为:y0=at2=
因t=
整理得:
y0==
=5×10-3m
(2)电子飞出电场时,水平分速度vx=v0,竖直分速度:
vy=at==
=4×106m/s
飞出电场时的速度为:
v=,代入数据可得:v≈2.04×107m/s
答:(1)电子偏离金属板时的侧位移是5×10-3m;
(2)电子飞出电场时的速度是2.04×107m/s.
解析
解:(1)电子在匀强电场中受到电场力与重力作用,由于电场力:
F=Eq==
=1.44×10-15N
远大于电子的重力(约9×10-30N),故只考虑电场力的作用;由于沿水平方向做匀速直线运动,沿竖直方向做初速度为零的匀加速运动,与平抛物体的运动类似;
电子水平方向上做匀速直线运动,有:
t=
电子在电场中的加速度为:a=
则侧位移为:y0=at2=
因t=
整理得:
y0==
=5×10-3m
(2)电子飞出电场时,水平分速度vx=v0,竖直分速度:
vy=at==
=4×106m/s
飞出电场时的速度为:
v=,代入数据可得:v≈2.04×107m/s
答:(1)电子偏离金属板时的侧位移是5×10-3m;
(2)电子飞出电场时的速度是2.04×107m/s.
甲图中A、B是一对平行金属板,A板接地(电势UA=0),在两板间加上一周期为T的交变电压u(如乙图所示).现有一电子从A板上的小孔进入两板间的电场区内.设电子的初速度和重力的影响均可忽略,则( )
正确答案
解析
解:A、电子在t=0时刻进入时,在一个周期内,前半个周期受到的电场力向上,向上做加速运动,后半个周期受到的电场力向下,继续向上做减速运动,T时刻速度为零,接着周而复始,所以电子一直向B板运动,一定会到达B板.故A正确.
B、若电子是在t=时刻进入时,在一个周期内:在
~
T,电子受到的电场力向上,向上做加速运动,在
T~T内,受到的电场力向下,继续向上做减速运动,
T时刻速度为零,接着继续向B板运动,周而复始,所以电子时而向B板运动,时而向A板运动,最后打在B板上.故B正确.
C、若电子是在t=T时刻进入时,与在t=
时刻进入时情况,在运动一个周期时间内,时而向B板运动,时而向A板运动,总的位移向左,最后穿过A板.故C错误;
D、若电子是在t=时刻进入时,在一个周期内:在
~T,电子受到的电场力向上,向上做加速运动,在T~
内,受到的电场力向下,继续向上做减速运动,
时刻速度为零,接着周而复始,所以电子一直向A板运动,一定不会到达B板.故D错误.
故选AB
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