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简答题

如图所示,一质量为m、电荷量为+q、重力不计的带电粒子,从A板的S点由静止开始释放,经A、B加速电场加速后,穿过中间偏转电场,再进入右侧匀强磁场区域。已知AB间的电压为U,MN极板间的电压为2U,MN两板间的距离和板长均为L,磁场垂直纸面向里、磁感应强度为B、有理想边界。求:

(1)带电粒子离开B板时速度V0的大小;

(2)带电粒子离开偏转电场时速度V的大小与方向;

(3)要使带电粒子最终垂直磁场右边界射出磁场,磁场的宽度d多大?

正确答案

解:(1)带电粒子在加速电场中,由动能定理得

得带电粒子离开B板的速度

(2)粒子进入偏转电场后,有

 

 

 

解得

【或写为

则粒子离开偏转电场时的速度大小,方向与水平方向成45°角

(3)粒子进入磁场后,据牛顿第二定律得

由几何关系得     

解得  

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简答题

下图是说明示波器工作原理的示意图,已知两平行板间的距离为、板长为电子经电压为1的电场加速后从两平行板间的中央处垂直进入偏转电场.设电子质量为e、电荷量为.  

(1)求经电场加速后电子速度的大小. 

(2)要使电子离开偏转电场时的偏转角度最大,两平行板间的电压2应是多少?

正确答案

解:(1)电子经电压为1的电场加速,根据动能定理:

则经电场加速后电子的速度

(2)电子离开偏转电场偏转角度最大时的偏转量为

电子受到偏转电场的电场力

电子沿偏转电场方向做初速度为零的匀加速直线运动,有

可解得两平行板间电压

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简答题

如图所示,空间分布着方向平行于纸面且与场区边界垂直的有界匀强电场,电场强度为E、场区宽度为L。在紧靠电场右侧的圆形区域内,分布着垂直于纸面向外的匀强磁场,磁感应强度B未知,圆形磁场区域半径为r。一质量为m、电荷量为q的带正电的粒子从A点由静止释放后,在M点离开电场,并沿半径方向射入磁场区域,然后从N点射出,O为圆心,∠MON=120°,粒子重力可忽略不计。求:

(1)粒子经电场加速后,进入磁场时速度的大小;

(2)匀强磁场的磁感应强度B的大小;

(3)粒子从A点出发到N点离开磁场经历的时间。

正确答案

解:(1)设粒子经电场加速后的速度为v,根据动能定理有qEL=mv2

解得

(2)粒子在磁场中完成了如图所示的部分圆运动,设其半径为R,因洛仑兹力提供向心力

所以有qvB=

由几何关系得

所以  

(3)设粒子在电场中加速的时间为t1,在磁场中偏转的时间为t2

粒子在电场中运动的时间t1==

粒子在磁场中做匀速圆周运动,其周期为

由于∠MON=120°,所以∠MO'N=60°

故粒子在磁场中运动时间t2=

所以粒子从A点出发到N点离开磁场经历的时间t=t1+t2=+     

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如图所示,相距为R的两块平行金属板M、N正对着放置,s1、s2分别为M、N板上的小孔,s1、s2、O三点共线,它们的连线垂直M、N,且s2O=R。以O为圆心、R为半径的圆形区域内存在磁感应强度为B、方向垂直纸面向外的匀强磁场。D为收集板,板上各点到O点的距离以及板两端点的距离都为2R,板两端点的连线垂直M、N板。质量为m、带电量为+q的粒子,经s1进入M、N间的电场后,通过s2进入磁场。粒子在s1处的速度和粒子所受的重力均不计。

(1)当M、N间的电压为U时,求粒子进入磁场时速度的大小υ;

(2)若粒子恰好打在收集板D的中点上,求M、N间的电压值U0

(3)当M、N间的电压不同时,粒子从s1到打在D上经历的时间t会不同,求t的最小值。

正确答案

解:(1)粒子从s1到达s2的过程中,根据动能定理得

解得粒子进入磁场时速度的大小

(2)粒子进入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,有

由①②得加速电压U与轨迹半径r的关系为

当粒子打在收集板D的中点时,粒子在磁场中运动的半径r0=R

对应电压

(3)M、N间的电压越大,粒子进入磁场时的速度越大,粒子在极板间经历的时间越短,同时在磁场中运动轨迹的半径越大,在磁场中运动的时间也会越短,出磁场后匀速运动的时间也越短,所以当粒子打在收集板D的右端时,对应时间t最短

根据几何关系可以求得粒子在磁场中运动的半径r=R

由②得粒子进入磁场时速度的大小

粒子在电场中经历的时间

粒子在磁场中经历的时间

粒子出磁场后做匀速直线运动经历的时间

粒子从s1到打在收集板D上经历的最短时间为t=t1+t2+t3=

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简答题

如图所示,虚线框abcd内为边长均为L的正形匀强电场和匀强磁场区域,电场强度的大小为E,方向向下,磁感应强度为B,方向垂直纸面向外,PQ为其分界线,现有一群质量为m,电荷量为-e的电子(重力不计)从PQ中点与PQ成30°角以不同的初速射入磁场,求:

(1)能从PQ边离开磁场的电子在磁场运动的时间.

(2)若要电子在磁场运动时间最长,其初速v应满足的条件?

(3)若电子在满足(2)中的条件下且以最大速度进入磁场,最终从电场aP边界飞出虚线框所具有的动能Ek

正确答案

解:(1)由洛仑兹力充当向心力:eBv=m  ①

电子在磁场中运动的周期:T= ②

①②解得:T=

能从PQ边进入电场(如图).粒子在匀强磁场中运动时间为t,由图知t=T    ③

解得:t=    

(2)当电子轨迹与Pb边相切时,有满足条件的最大速度v,由几何关系知其轨道半径r满足

r+rsin30°=④      r=

洛仑兹力充当向心力:eBv=m    

①④解得v==

因此,当v≤时,电子有磁场运动有最长时间

(结果表示为v<,0,0均正确)

(3)以最大速度v进入电场,且从aP边飞出时电子有最大动能EKM,由动能定理:

eE()=Ekm-⑥  

解得Ekm= 

下一知识点 : 带电粒子在电场中的偏转
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