- 带电粒子在电场中的加速
- 共3430题
(2014秋•常州期末)如图,一倾角为37°的足够长斜面,表面光滑绝缘,B点以下区域处于电场强度E=1.2×104N/C,方向平行斜面向上的匀强电场中,BC端被涂上动摩擦因数为μ=0.75的绝缘介质,一小物块质量m=1kg,带电量q=1×10-3C,从斜面上的A点静止释放,已知AB长为l1=
m,BC长为l2=
m,取g=10m/s2.
(1)求小物块在运动过程中加速度的最大值,并指出此时加速度的方向和速度的方向;
(2)设小物块第一次返回的最高点为D,求AD的距离l3;
(3)求小物块在BC间运动的总路程.
正确答案
解:(1)从A到B过程,根据牛顿第二定律,有:
mgsin37°=ma1
解得:a1=gsin37°=10×0.6=6m/s2
到达B点速度:=5m/s
从B到C的过程,根据牛顿第二定律,有:
mgsin37°-qE-μmgcos37°=ma2
解得:a2=-12m/s2
根据速度位移公式,有:
解得:v2=m/s
从C点向下过程,根据牛顿第二定律,有:
mgsin37°-qE=ma3
解得:a3=-6m/s2
从C到B过程,根据牛顿第二定律,有:
mgsin37°-qE+μmgcos37°=ma4
解得:a4=0
即从C到B是匀速运动;
故最大加速度为12m/s2,平行斜面向上;此时速度平行斜面向下;
(2)设小物块第一次返回的最高点为D,从A到D全程,根据动能定理,有:
mgsin37°l3-2μmgcos37°l2=0-0
解得:l3=m
(3)滑块最终会向下减速后静止在BC间某个位置,设静止位置与B点间距为x,对运动的全程,根据动能定理,有:
mg(l1+x)sin37°-qEx-μmgcos37°(x+2nl2)=0
其中:0≤x≤l2
故12.5-12x-5n=0;
当n=2时,x=m
故小物块在BC间运动的总路程:S=4l2+x=4×=
m
答:(1)小物块在运动过程中最大加速度为12m/s2,平行斜面向上;此时速度平行斜面向下;
(2)小物块第一次返回的最高点为D,AD的距离l3为m;
(3)小物块在BC间运动的总路程为m.
解析
解:(1)从A到B过程,根据牛顿第二定律,有:
mgsin37°=ma1
解得:a1=gsin37°=10×0.6=6m/s2
到达B点速度:=5m/s
从B到C的过程,根据牛顿第二定律,有:
mgsin37°-qE-μmgcos37°=ma2
解得:a2=-12m/s2
根据速度位移公式,有:
解得:v2=m/s
从C点向下过程,根据牛顿第二定律,有:
mgsin37°-qE=ma3
解得:a3=-6m/s2
从C到B过程,根据牛顿第二定律,有:
mgsin37°-qE+μmgcos37°=ma4
解得:a4=0
即从C到B是匀速运动;
故最大加速度为12m/s2,平行斜面向上;此时速度平行斜面向下;
(2)设小物块第一次返回的最高点为D,从A到D全程,根据动能定理,有:
mgsin37°l3-2μmgcos37°l2=0-0
解得:l3=m
(3)滑块最终会向下减速后静止在BC间某个位置,设静止位置与B点间距为x,对运动的全程,根据动能定理,有:
mg(l1+x)sin37°-qEx-μmgcos37°(x+2nl2)=0
其中:0≤x≤l2
故12.5-12x-5n=0;
当n=2时,x=m
故小物块在BC间运动的总路程:S=4l2+x=4×=
m
答:(1)小物块在运动过程中最大加速度为12m/s2,平行斜面向上;此时速度平行斜面向下;
(2)小物块第一次返回的最高点为D,AD的距离l3为m;
(3)小物块在BC间运动的总路程为m.
如图所示,水平放置的平行板电容器,原来两板不带电,上极板接地,它的极板长L=0.1m,两板间距离d=0.4cm,有一束由相同微粒组成的带正电粒子流以相同的初速度从两板中央平行于极板射入,由于重力作用粒子能落到下极板上,已知粒子质量m=2.0×10-6kg,电荷量q=1.0×10-8C,电容器电容C=1.0×10-6F,若第一个粒子刚好落到下极板中点O处,取g=10m/s2.求:
(1)带电粒子入射初速度的大小;
(2)两板间电场强度为多大时,带电粒子能刚好落在下极板右边缘B点.
正确答案
解:(1)对第一个落到O点的粒子
水平方向:
竖直方向:
得:v0==2.5 m/s
(2)对落到B点的粒子
L=v0t
at2
mg-Eq=ma
得:E==1.5×103 V/m
答:(1)若第一个粒子刚好落到下板中点O处,则带电粒子入射初速度的大小是2.5m/s;
(2)两板间电场强度为1.5×103V/m时,带电粒子能刚好落到下板右边缘B点
解析
解:(1)对第一个落到O点的粒子
水平方向:
竖直方向:
得:v0==2.5 m/s
(2)对落到B点的粒子
L=v0t
at2
mg-Eq=ma
得:E==1.5×103 V/m
答:(1)若第一个粒子刚好落到下板中点O处,则带电粒子入射初速度的大小是2.5m/s;
(2)两板间电场强度为1.5×103V/m时,带电粒子能刚好落到下板右边缘B点
如图所示,水平放置的两块平行金属板长L=5cm,两板间距d=1cm,两板间电压U=91V不变,上板带正电.距离极板右端s=10cm处有一接收屏,各种速度的电子沿水平方向从两板中央射入.电子的质量m=0.91×10-30kg,电荷量e=1.6×10-19C.求:
(1)到达接收屏上的电子的初速度应满足的条件;
(2)电子打到接收屏上距中心O的最大距离.
正确答案
解:(1)电子恰好从板间射出的初速度为v0,有
=
…①
L=v0t… ②
得:a=… ③
联立解得,v0=2×107m/s…④
故电子入射速度v≥2×107m/s方能打到屏上…⑤
(2)要想离O最远,需要竖直速度最大,即在电场中加速时间最长,即水平速度最小,且竖直位移最大的电子打到屏上的距离最大.即恰能从极板边缘射出的电子打到屏上距O点最远.
离开电场时偏转量为:y1=…⑥
离开电场时的速度偏向角为α,tanα=…⑦
vy=… ⑧
由几何关系得:tanα=… ⑨
得:ym=y1+y2=2.5cm…(10)
答:(1)到达接收屏上的电子的初速度应满足的条件为v≥2×107m/s;
(2)电子打到接收屏上距中心O的最大距离为2.5cm.
解析
解:(1)电子恰好从板间射出的初速度为v0,有
=
…①
L=v0t… ②
得:a=… ③
联立解得,v0=2×107m/s…④
故电子入射速度v≥2×107m/s方能打到屏上…⑤
(2)要想离O最远,需要竖直速度最大,即在电场中加速时间最长,即水平速度最小,且竖直位移最大的电子打到屏上的距离最大.即恰能从极板边缘射出的电子打到屏上距O点最远.
离开电场时偏转量为:y1=…⑥
离开电场时的速度偏向角为α,tanα=…⑦
vy=… ⑧
由几何关系得:tanα=… ⑨
得:ym=y1+y2=2.5cm…(10)
答:(1)到达接收屏上的电子的初速度应满足的条件为v≥2×107m/s;
(2)电子打到接收屏上距中心O的最大距离为2.5cm.
如图所示,在某一真空空间,有一水平放置的理想平行板电容器充电后与电源断开,有一质量为m带负电荷的粒子(不计重力) 恰静止在两平行板中央,若保持负极板B固定不动,使正极板A以固定直线oo′为中心沿竖直方向作微小振幅的缓慢振动,则带电粒子( )
正确答案
解析
解:平行板电容器的电容:C=,(S为两板的正对面积,d为两板间的距离)
由E=,C=
以及C=
,可推导出E=
由此式可知,若Q、S和介质不变,只改变距离d,则电场强度E不变.
所以正极板A以固定直线0O′为中心沿竖直方向作微小振幅的缓慢振动时,两金属板间的电场强度不变,带点粒子受到的电场力就不变,其受力情况不变,仍静止不动.故C正确,ABD错误.
故选:C
如图所示,A、B、C、D为匀强电场中相邻的四个等势面,一个电子垂直经过等势面D时,动能为20eV,飞经等势面C时,电势能为-10eV,飞至等势面B时速度恰好为零,已知相邻等势面间的距离为5cm,则下列说法正确的是( )
正确答案
解析
解:A、电子从B到D过程,根据动能定理得:-eUDB=0-EkD,解得,UDB=20V,飞经等势面C时.电势能为-10eV,所以D点电势为零,由于是等差的等势面,则知,A等势面的电势为-30V.故A错误.
B、电子从B到D过程,根据动能定理得:-eUDB=0-EkD,解得:UDB==20V
对于BD段:电场强度为E==
=200V/m,故B正确;
C、根据能量守恒可知,电子再次经过D等势面时,电势能不变,动能不变,其动能仍为20eV,故C错误;
D、根据电场线与等势面垂直可知,该电场是匀强电场,电子做匀变速直线运动.故D错误.
故选:B
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