- 带电粒子在电场中的加速
- 共3430题
(9分)如图所示,相距2L的AB、CD两直线间的区域存在着两个大小不同、方向相反的有界匀强电场,其中PT上方的电场E1的场强方向竖直向下,PT下方的电场E0的场强方向竖直向上,在电场左边界AB上宽为L的PQ区域内,连续分布着电量为+q、质量为m的粒子.从某时刻起由Q到P点间的带电粒子,依次以相同的初速度v0沿水平方向垂直射入匀强电场E0中,若从Q点射入的粒子,通过PT上的某点R进入匀强电场E1后从CD边上的M点水平射出,其轨迹如图,若MT两点的距离为L/2.不计粒子的重力及它们间的相互作用.试求:
(1)电场强度E0与E1;
(2)在PQ间还有许多水平射入电场的粒子通过电场后也能垂直CD边水平射出,这些入射点到P点的距离有什么规律?
正确答案
(1)
(2)PF间的距离为
(n = 1,2,3,……)
试题分析:(1)设粒子经PT直线上的点R由E0电场进入E1电场,由Q到R及R到M点的时间分别为t1与t2,到达R时竖直速度为vy,则:
由、
及
得:
①
②
③
④
上述三式联立解得:,
(2)由及③式可得
.
因沿PT方向粒子做匀速运动,故P、R两点间的距离是R、T两点间距离的两倍.即粒子在E0电场做类平抛运动在PT方向的位移是在E1电场中的两倍.
设PQ间到P点距离为△y的F处射出的粒子通过电场后也沿水平方向,若粒子第一次达PT直线用时△t,水平位移为△x,则
粒子在电场E1中可能做类平抛运动后垂直CD边射出电场,也可能做类斜抛运动后返回E0电场,在E0电场中做类平抛运动垂直CD水平射出,或在E0电场中做类斜抛运动再返回E1电场.,若粒子从E1电场垂直CD射出电场,则
(n=0、1、2、3、……)
解之得: (n=0、1、2、3、……)
若粒子从E0电场垂直CD射出电场,则
(k=1、2、3、……)
(k=1、2、3、……)
即PF间的距离为其中n=0、1、2、3、……,k=1、2、3、……
或 (n=1、2、3、……)
解之得:
(n=1、2、3、……)
即PF间的距离为 (n = 1,2,3,……)
(10分)从粒子源射出的带电粒子的质量为m、电荷量为q,它以速度v0经过电势差为U的带窄缝的平行板电极S1和S2间的电场,并从O点沿Ox方向进入磁感应强度为B、方向垂直纸面向外的有界匀强磁场,Ox垂直平行板电极S2,当粒子从P点离开磁场时,其速度方向与Ox方向的夹角θ=60°,如图8-2-20所示,整个装置处于真空中.
(1)求粒子在磁场中沿圆弧运动的轨道半径R;
(2)求粒子在磁场中运动所用的时间t.
正确答案
(1) (2)
试题分析:(1)粒子进入平行板中的匀强电场,则电场力对其加速,利用动能定理则:
所以出电场的末速度为
根据洛伦兹力提供向心力有,即
,带入则
(2)
根据粒子在磁场中的运动轨迹可知,在磁场中轨迹的圆心角为60°。即
点评:此类题型属于比较常规型的带电粒子在电场或者磁场中的运动问题。根据动能定理可以求出在电场中加速后的末速度。通过左手定则定圆心,画轨迹,从而根据几何知识判断出半径。
如图17所示,光滑绝缘水平桌面上固定一绝缘挡板P,质量分别为mA和mB的小物块A和B(可视为质点)分别带有+QA和+QB的电荷量,两物块由绝缘的轻弹簧相连,一不可伸长的轻绳跨过定滑轮,一端与物块B连接,另一端连接轻质小钩。整个装置处于正交的场强大小为E、方向水平向左的匀强电场和磁感应强度大小为B、方向水平向里的匀强磁场中。物块A,B开始时均静止,已知弹簧的劲度系数为K,不计一切摩擦及AB间的库仑力,在运动过程中物块A、B所带的电荷量不变,物块B不会碰到滑轮,物块A、B均不离开水平桌面。若在小钩上挂一质量为M的物块C并由静止释放,可恰使物块A对挡板P的压力为零,但不会离开P,则
(1)求物块C下落的最大距离;
(2)求小物块C下落到最低点的过程中,小物块B的电势能的变化量、弹簧的弹性势能变化量;
(3)若C的质量改为2M,求小物块A刚离开挡板P时小物块B的速度大小以及此时小物块B对水平桌面的压力。
正确答案
1)
(2);
;
(3);
分析:(1)要正确求出C下落的最大距离,关键是正确分析当达到最大距离时系统中各个物体的状态,开始由于A受水平向左的电场力以及弹簧的弹力作用,A被挤压在挡板P上,当B向右运动弹簧恢复原长时,A仍然与挡板之间有弹力作用,当B继续向右运动时,弹簧被拉长,当弹簧弹力大小等于A所受电场力时,A与挡板之间弹力恰好为零,此时B、C的速度也恰好为零,即C下落距离最大,注意此时A处于平衡状态,而B、C都不是平衡状态.
(2)依据电场力做功即可求出小物块B的电势能的变化量,B、C一起运动过程中,初末速度均为零,B电势能增大,C重力势能减小,依据功能关系即可求出弹簧弹性势能变化量.
(3)对系统根据功能关系有:当小物块A刚离开挡板P时,C重力势能减小量等于B电势能和弹簧弹性势能以及B、C动能变化量之和;B球在竖直方向合外力为零,因此对B球正确进行受力分析即可求出小物块对水平面的压力.
解:(1)开始时弹簧的形变量为x1,
对物体B由平衡条件可得:kx1=QBE
设A刚离开挡板时,
弹簧的形变量为x2,
对物块B由平衡条件可得:kx2=QAE
故C下降的最大距离为:h=x1+x2=(QA+QB)
(2)物块C由静止释放下落h至最低点的过程中,
B的电势能增加量为:
△Ep=QBEh=QB(QA+QB)
由能量守恒定律可知:
物块由静止释放至下落h至最低点的过程中,
c的重力势能减小量等于
B的电势能的增量和弹簧弹性势能的增量
即:Mgh=QBEh+△E弹
解得:△E弹= (Mg-QBE)(QA+QB)
故小物块C下落到最低点的过程中,小物块B的电势能的变化量为QB(QA+QB),弹簧的弹性势能变化量为△E弹=
(Mg-QBE)(QA+QB)
(3)当C的质量为2M时,
设A刚离开挡板时B的速度为V,
由能量守恒定律可知:2Mgh=QBEh+△E弹+(2M+mB)V2
解得A刚离开P时B的速度为:
因为物块AB均不离开水平桌面,
设物体B所受支持力为NB1,所以对物块B竖直方向受力平衡:
mBg=NB1+QBvB
由牛顿第三定律得:NB=NB1
解得:NB=mBg-BQB
故小物块A刚离开挡板P时小物块B的速度大小为:,此时小物块B对水平桌面的压力为:NB=mBg-BQB.
如图所示,两平行金属板水平放置,间距为d,板间存在匀强电场.一个质量为m、电荷量为q的带负电小球,以竖直向下的初速度从上板的小孔射入,当它从下板的小孔穿出时所用的时间为t,若小球以同样大小的初速度从下板的小孔竖直向上射入,则从上板小孔穿出时所用的时间为t/2.不计空气阻力.求:
小题1:指出两板间电场强度的方向.
小题2:电场强度的大小.
小题3:小球穿出下板小孔时速度v1与穿出上板小孔时速度v2之比v1∶v2.
正确答案
小题1:场强方向竖直向下.
小题2:
小题3:
(1)场强方向竖直向下.
(2)根据题意,小球在电场中运动的加速度a应竖直向上.
Eq-mg=ma ①
从上往下: ②
从下往上: ③
由以上三式解得电场强度:.
(3)由以上②、③两式解得:,
则:
所以:.
如图所示,A、B为真空中相距为d的一对平金属板,两板间的电压为U,一电子以v0的速度从A板小孔与板面垂直地射入电场中。已知电子的质量为m,电子的电荷量为e。
求:
小题1:电子从B板小孔射出时的速度大小;
小题2:电子离开电场时所需要的时间;
小题3:要使进入电场的电子恰好不能从B小孔射出,A、B两板哪个金属板电势高,电压多大?
正确答案
小题1:
小题2:
小题3:A板电势高,UAB=
本题考查带电粒子在电场中的知识。
根据题意,可得
(1) 电子从A板小孔垂直进入到射出B板过程中受电场力的作用,设射出B板时的速度为,根据动能定理得:
,化简得速度
;
(2) 由化简得,电子从A板射入到离开B板的时间为
;
(3) 要使进入电场的电子恰好不能从B小孔射出,即电子到达B板速度为0,则A板的电势应高于B板电势;A、B板间的电压为,
,化简得
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