高中 | 带电粒子在匀强电场中的偏转运动 题目答案及解析

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选修3-1

第一章 静电场

1.9 带电粒子在电场中的运动

带电粒子在匀强电场中的偏转运动

如图所示,第一象限内存在沿$+x$方向的匀强电场,电场强度大小为$E$,第二象限内存在沿$-x$方向的匀强电场,电场强度大小为$\dfrac{E}{2}$。一电子从$P$$x_{0}$$0$)点以初速度$U_{0}$沿$+y$方向射入电场,已知电子的电荷量为$e$,质量为$m$,不计电子重力。求:

电子从$P$点第一次到达$y$轴的时间$t$

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电子从$P$点第一次到达$y$轴的时间$t$$\\sqrt{\\dfrac{2mx_{0}}{Ee}}$

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电子从$P$点进入电场,电场力水平向左,电子在水平方向做匀加速直线运动,竖直方向做匀速直线运动,由牛顿第二定律有:$Ee=ma$

水平方向位移为$x_{0}$,则:$x_{0} = \dfrac{1}{2}at^{2}$

代入数据可得:$t = \sqrt{\dfrac{2mx_{0}}{Ee}}$

电子运动过程中离开$y$轴的最大距离$d$

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电子运动过程中离开$y$轴的最大距离$d$$2x_{0}$

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设电子刚进入第二象限时水平方向的速度为$v_{x}$,则$v_{x} = at = \dfrac{Ee}{m} \times \sqrt{\dfrac{2mx_{0}}{Ee}} = \sqrt{\dfrac{2Eex_{0}}{m}}$

电子进入第二象限电场中,水平方向做匀减速直线运动,竖直方向做匀速直线运动,当电子水平方向的速度减为零时,电子离开$y$轴的距离最大,则:$d = \dfrac{v_{x}^{2}}{2a'} = \dfrac{(\sqrt{\dfrac{2Eex_{0}}{m}})^{2}}{2 \times \dfrac{Ee}{2m}} = 2x_{0}$

电子第$8$次经过$y$轴时位置的纵坐标$Y$

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电子第$8$次经过$y$轴时位置的纵坐标$Y$$23v_{0}\\sqrt{\\dfrac{2mx_{0}}{Ee}}$

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设电子在第二象限内水平方向的速度减为零的时间为$t^\prime$,则$d = \dfrac{1}{2}a'(t')^{2}$,可得:$t' = 2\sqrt{\dfrac{2mx_{0}}{Ee}}$

电子在两个电场中水平方向做匀变速直线运动,竖直方向做匀速直线运动,电子第$8$次经过$y$轴时所用的总时间为:$t_{总} = 8t' + 7t = 8 \times 2\sqrt{\dfrac{2mx_{0}}{Ee}} + 7 \times \sqrt{\dfrac{2mx_{0}}{Ee}} = 23\sqrt{\dfrac{2mx_{0}}{Ee}}$

则电子第$8$次经过$y$轴时位置的纵坐标$Y$$= v_{0}t_{总} = 23v_{0}\sqrt{\dfrac{2mx_{0}}{Ee}}$

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