- 带电粒子在匀强电场中的运动
- 共205题
19.如图,质量为m、电荷量为e的质子以某一初动能EK从坐标原点O沿x轴正方向进入场区,若场区仅存在平行于y轴向上的匀强电场,质子能通过P(d,d)点,且通过P点时的动能为5EK;若场区仅存在垂直于xOy平面的匀强磁场,质子也能通过P点.设上述匀强电场的电场强度大小为E、匀强磁场的磁感应强度大小为B,且不计质子的重力.下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
AB.质子在只有电场存在时,动能由Ek变为5Ek,由动能定理可知电场力做功为:
解得:, 由此可判断,故A正确,B错误;
CD.质子在只有磁场存在时,质子做匀速圆周运动,由题意可知,运动半径为d,由半径公式有:,设质子进入磁场时的速度为v,则速度为:
,以上两式联立得:
,故C错误,D正确.
考查方向
带电粒子在匀强磁场中的运动;带电粒子在匀强电场中的运动
解题思路
质子在只有电场的区域运动(垂直电场方向射入),粒子做类平抛运动,应用动能定理可求出电场强度的值.质子在只有磁场存在的区域运动,质子做匀速圆周运动,根据几何关系判断其半径,利用半径公式可求出磁场强度的值.
易错点
正确分析带电粒子的受力及运动特征是解决问题关键.
知识点
如图所示,在竖直平面内直线AB与竖直方向成30°角,AB左侧有匀强电场,右侧有垂直纸面向外的匀强磁场.一质量为m、电量为q的带负电的粒子,从P点以初速竖直向下射入电场,粒子首次回到边界AB时,经过Q点且速度大小不变,已知P、Q间距为l,之后粒子能够再次通过P点,(粒子重力不计)求:
16.匀强电场场强的大小和方向;
17.匀强磁场磁感强度的可能值.
正确答案
答案:电场强度方向垂直与AB斜向下,与竖直方向呈60°夹角
解析
解析: 粒子从P到Q速度大小不变,说明P、Q两点在同一等势面上,即AB是一条等势线,因此电场线一定垂直于等势线AB,又因为粒子带负电,故电场强度方向垂直与AB斜向下,与竖直方向呈60°夹角;
将粒子的初速度v0沿着电场线方向和垂直于电场线方向分解,沿着电场线方向粒子先做匀加速运动后做匀减速运动,垂直于电场线方向粒子做匀速运动;从P到Q:
在沿着电场线的方向上有:
垂直于电场线方向上有:
因为粒子只受电场力作用,有:
联立可得:
考查方向
1、考查带电粒子在匀强电场中的运动
2、考查匀加速运动的基本公式
3、考查电场力做功的性质
解题思路
1、根据粒子在Q点的速度大小不变,分析电场强度的方向
2、将粒子的初速度沿着电场线和垂直于电场线分解,根据各个方向上的运动性质列出方程式,求解电场强度;
易错点
1、对粒子到Q点时的速度相等的隐含条件分析不到位
正确答案
答案:
解析
解析: 粒子从P点运动到Q点,垂直于电场线方向的速度大小不变,沿着电场线方向速度大小反向,由此可知粒子经过Q点时的速度与AB呈30°角。
若粒子进入磁场偏转后恰好经过P点,其运动半径为R,磁感应强度为B,由几何关系可知:
根据洛伦兹力提供向心力有:
解得:
若圆周运动半径,粒子不可能再通过P点;
若圆周运动半径,则每个周期沿AB界线向A点移动
带负电粒子可能从电场中再次经过P点,应满足
解得:
所以B可能的值为:
考查方向
1、考查带电粒子在匀强磁场中的匀速圆周运动
2、考查匀速圆周运动的基本公式
解题思路
1,分析当粒子进入磁场偏转后恰好经过P点,根据几何关系,求出半径,再根据洛伦兹力提供向心力,求解磁感应强度,
2、讨论当圆周运动半径,粒子的运动情况,
3、讨论当圆周运动半径,粒子的运动情况,求出磁感应强度可能的值。
易错点
1、对可能的情况”若圆周运动半径“分析不到位。
如图所示,真空中有一以(r,0)为圆心,半径为r的圆柱形匀强磁场区域,磁场的磁感应强度大小为B,方向垂直于纸面向里,在y≥r的范围内,有方向水平向左的匀强电场,电场强度的大小为E;从O点向不同方向发射速率相同的质子,质子的运动轨迹均在纸面内. 已知质子的电量为q,质量为m,质子在磁场中的偏转半径也为r,不计重力及阻力的作用,
求:
27.质子射入磁场时的速度大小;
28.速度方向沿x轴正方向射入磁场的质子,到达y轴所需时间及与y轴交点坐标;
正确答案
解析
质子射入磁场后做匀速圆周运动,
由牛顿第二定律得:
解得:
考查方向
带电粒子在复合场中的运动.
解题思路
质子射入磁场后做匀速圆周运动,洛伦兹力充当向心力,由牛顿第二定律求速度.
易错点
质子射入磁场后做匀速圆周运动的处理方法。
正确答案
解析
质子沿x轴正向射入磁场后经圆弧后以速度v垂直于电场方向进入电场,在磁场中运动的时间
进入电场后做类平抛运动,沿电场方向运动r后到达y轴,
因此有:
质子的运动时间为:
考查方向
带电粒子在复合场中的运动.
解题思路
质子沿x轴正向射入磁场后经圆弧后以速度v垂直于电场方向进入电场,在磁场中运动的时间
;进入电场后做类平抛运动,由运动学公式求电场中运动的时间,即可求得总时间.
易错点
进入电场后做类平抛运动的时间的计算。
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且有理想边界. 求:
30.带电粒子离开B板时速度v0的大小;
31.带电粒子离开偏转电场时速度v的大小与方向;
32.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
(4分)
解析
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:
考查方向
带电粒子在匀强电场中的运动
解题思路
带电粒子在电场中加速,根据动能定理,即可求解.
易错点
动能定理的使用方法.
正确答案
;(7分)
(2分)
解析
粒子进入偏转电场后,有:
由牛顿第二定律得:
解得:
,代入得:
所以
考查方向
带电粒子在匀强电场中的运动
解题思路
带电粒子在电场中偏转,根据运动学公式与牛顿第二定律,可求出射出速度的大小与方向.
易错点
在偏转电场中带电粒子做类平抛运动,根据相关规律列式.
正确答案
(5分)
解析
根据洛伦兹力提供向心力,则有
作出粒子的轨迹图所图所示:
由几何关系可得:
解得:
考查方向
带电粒子在匀强磁场中的运动
解题思路
带电粒子在磁场中,在洛伦兹力提供向心力,做匀速圆周运动,因此可求出运动的半径,根据几何关系从而求出磁场的宽度.
易错点
关键画出粒子的运动轨迹示意图,由几何关系确定半径.
如图10所示,在矩形区域abcd内有匀强电场和匀强磁场。已知电场方向平行于ad边且由a向d,磁场方面垂直于abcd平面,ab边长为√3L,ad边长为2L。一带电粒子从ad边的中点O平行于ab方向以大小为v0的速度射入场区,恰好做匀速直线运动;若撤去电场,其它条件不变,则粒子从
c点射出场区(粒子重力不计)。
18.求撤去电场后,该粒子在磁场中的运动时间;
19.若撤去磁场,其它条件不变,求粒子射出电场时的速度大小;
20.若在19问中,粒子射出矩形区域abcd后立即进入另一矩形磁场区域,该矩形磁场区域
的磁感应强度大小和方向与(2)问中撤去的磁场完全相同,粒子经过该矩形区域后速度
平行bc,试求该矩形区域的最小面积。
正确答案
解析
撤去电场后,带电粒子在磁场中作匀速圆周运动,设圆半径为R,在场区内轨迹圆所对应圆心角为,由几何关系有:
解得,
,
, 轨迹圆弧长为
,在磁场中运动时间为
考查方向
带电粒子在匀强磁场中的运动
解题思路
撤去电场之后,带电粒子作匀速圆周运动。根据几何关系求出轨迹半径和圆心角,进而求出运动时间.
易错点
关键由几何关系求出带电粒子在磁场中运动的半径.
正确答案
解析
电场和磁场均存在时,粒子做匀速直线运动:
撤去电场,粒子做匀速圆周运动:,R=2L
联立解得:
撤去磁场后,带电粒子在电场中做类平抛运动,假设带电粒子从ab边射出场区,由运动学规律有:,
,
解得
带电粒子沿ab方向运动的距离为,大于ab边长,故假设不成立,带电粒子从bc边射出场区,则
只有电场时,带电粒子出场区时沿电场力方向偏离距离为:
带电粒子在电场中运动,由动能定理有:
解得:
考查方向
带电粒子在匀强电场中的运动
解题思路
电场磁场均存在时,电场力等于洛伦兹力,撤去磁场后,粒子作类平抛运动,解出沿电场方向偏离的距离,由动能定理求出末速度.
易错点
只存在电场时,关键分析出带电粒子从哪个边射出.
正确答案
解析
设粒子出电场的速度偏向角为,进入右侧磁场区域作圆周运动半径为r,对应轨迹圆心角为
,粒子运动轨迹如图所示:
结合(2)知, ,
,解得
由几何知识得:,所加磁场的矩形区域为efgh,矩形磁场的两边长分别为:
,
结合上述几式得矩形最小面积为:
考查方向
带电粒子在匀强磁场中的运动
解题思路
作出粒子偏转的轨迹图,求出半径和轨迹所对应的圆心角,求出最小面积.
易错点
关键作出粒子运动的轨迹图,由几何关系求出圆心角.
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