- 带电粒子在混合场中的运动
- 共247题
如图所示,是一种电子扩束装置的原理示意图。直角坐标系原点O处有一电子发生器,朝xOy平面内x≥0区域任意方向发射电子,电子的速率均为v0,已知电子的电荷量为e、质量为m。在0≤x≤d的区域内分布着沿x轴负方向的匀强电场,场强大小,在x≥d区域内分布着足够大且垂直于xOy平面向外的匀强磁场,匀强磁场的磁感应强度
。ab为一块很大的平面感光板,在磁场内平行于y轴放置,电子打到板上时会在板上形成一条亮线。 不计电子的重力和电子之间的相互作用。
(1)求电子进入磁场时速度的大小。
(2)当感光板ab沿x轴方向平移到某一位置时,恰好没有电子打到板上,求感光板到y轴的距离x1。
(3)保持 (2)中感光板位置不动,若使所有电子恰好都能打到感光板上,求磁感应强度的大小以及电子打到板上形成亮线的长度。
正确答案
(1)
(2)
(3)L=
解析
(1)根据动能定理:
得
(2)由v0=知,对于沿y轴负方向射出的电子进入磁场时与边界线夹角θ=60°
若此电子不能打到ab板上,则所有电子均不能打到ab板上。
当此电子轨迹与ab板相切时,根据洛伦兹力提供向心力有
又
得
由几何知识
解得
(3)易知沿y轴正方向射出的电子若能打到ab板上,则所有电子均能打到板上。其临界情况就是此电子轨迹恰好与ab板相切
此时
故
由
解得
此时,所有粒子恰好都能打到板上
电子在电场中运动过程
沿y轴方向的位移
电子在磁场中运动过程,沿y轴负方向的偏转量
沿y轴正方向的偏转量
电子打到板上形成亮线的长度
知识点
如图所示,直线MN上方存在着垂直纸面向里、磁感应强度为B的匀强磁场,质量为m、电荷量为-q(q>0)的粒子1在纸面内以速度从O点射入磁场,其方向与MN的夹角α=30°;质量为m、电荷量为+q的粒子2在纸面内以速度
也从O点射入磁场,其方向与MN的夹角β=60°角。已知粒子1、2同时到达磁场边界的A、B两点(图中未画出),不计粒子的重力及粒子间的相互作用。
(1)求两粒子在磁场边界上的穿出点A、B之间的距离d;
(2)求两粒子进入磁场的时间间隔;
(3)若MN下方有平行于纸面的匀强电场,且两粒子在电场中相遇,其中的粒子1做直线运动。求电场强度E的大小和方向。
正确答案
(1)粒子在匀强磁场中作匀速圆周运动
2分
粒子1圆周运动的圆心角,
1分
粒子2圆周运动的圆心角,
1分
故 2分
(2)粒子圆周运动的周期 2分
粒子1在匀强磁场中运动的时间 1分
粒子2在匀强磁场中运动的时间 1分
所以 2分
(3)由题意,电场强度的方向应与粒子1穿出磁场的方向平行。
a.若电场强度的方向与MN成30°角斜向右上,则粒子1做匀加速直线运动,粒子2做类平抛运动。
1分
1分
1分
解得 1分
b.若电场强度的方向与MN成30°角斜向左下,则粒子1做匀减速直线运动,粒子2做类平抛运动。
解得,假设不成立。 1分
综上所述,电场强度的大小,方向与MN成30°角斜向右上。 1分
解析
略
知识点
在如图所示的直角坐标系中,对于第I象限和第IV象限,其中一个象限有垂直纸面向外的匀强磁场B,另一象限有平行纸面的匀强电场E,一个比荷为= 2×108 C/kg的电荷,从坐标原点处以速度v0=4×106 m/s进入第IV象限,v0与x轴成45°,已知电荷通过P(
,0)点第一次经x轴进入第I象限,并且经过时间t =2×10–4 s,以大小相同、方向相反的速度回到P(
,0)点。
(1)问电荷带正电还是带负电,匀强电场存在哪个象限,方向如何?
(2)求磁感应强度和电场强度的大小;
(3)求电荷第三次经过x轴的位置。
(4)若电荷第三次经过x轴时突然改变匀强电场的大小,使电荷第四次回到x轴时恰好是P点,求改变后的电场强度大小。
正确答案
(1)负电,匀强电场在第I象限,方向与X轴成450
(2)
(3)x=
(4)
解析
(1)负电,匀强电场在第I象限,方向与X轴成450
(2)在第四象限中,由向心力公式得: 而
解得
在电场中,
解得:
(3)由图可知:
(4)第三次经过x轴后,电荷做类平抛运动,如图所示,
由牛顿第二定律:
解得:
知识点
如图所示,质量为m、电荷量为+q的粒子从坐标原点O以初速度v0射出,粒子恰好经过A点,O、A两点长度为l ,连线与坐标轴+y方向的夹角为= 370,不计粒子的重力。
(1)若在平行于x轴正方向的匀强电场E1中,粒子沿+y方向从O点射出,恰好经过A点;若在平行于y轴正方向的匀强电场E2中,粒子沿+x方向从O点射出,也恰好能经过A点,求这两种情况电场强度的比值。
(2)若在y轴左侧空间(第Ⅱ、Ⅲ象限)存在垂直纸面的匀强磁场,粒子从坐标原点O,沿与+y轴成300 的方向射入第二象限,恰好经过A点,求磁感应强度B。
正确答案
(1)
(2),方向垂直纸面向外。
解析
(1)在电场E1中
①
②
在电场E2中
③
④
联立①②③④得⑤
(2)设轨迹半径为R,轨迹如图所示,
①
由几何知识可得
②
解得③
又由④
得⑤
由③⑤得⑥,方向垂直纸面向外。
知识点
如图所示,在y轴的右侧存在磁感应强度为B的方向垂直纸面向外的匀强磁场,在x轴的上方有一平行板式加速电场。有一薄绝缘板放置在y轴处,且与纸面垂直。现有一质量为m、电荷量为q的粒子由静止经过加速电压为U的电场加速,然后以垂直于板的方向沿直线从A处穿过绝缘板,而后从x轴上的D处以与x轴负向夹角为30°的方向进入第四象限,若在此时再施加一个电场可以使粒子沿直线到达y轴上的C点(C点在图上未标出)。已知OD长为l,不计粒子的重力.
求:
(1)粒子射入绝缘板之前的速度
(2)粒子经过绝缘板时损失了多少动能
(3)所加电场的电场强度和带电粒子在y周的右侧运行的总时间.
正确答案
见解析。
解析
(1)粒子在电场中加速由动能定理可知
解得:
(2)粒子在磁场中作圆周运动轨迹如图
由几何关系可得轨道半径为2l
由
解得=
由动能定理得
代入数据解得
所以损失动能为
或者 带入结果得
(3)粒子若作直线运动则=Eq
代入数据解得E=
方向与x轴正向斜向下成60°角
粒子在第一象限作匀速圆周运动的时间t1=
粒子在第四象限做匀速直线运动时间t2==
粒子x轴右侧运行的总时间t==
知识点
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