高中 | 带电粒子在交变电场中的运动 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

带电粒子在交变电场中的运动

如图甲所示,在空间坐标系$xOy$中,$\alpha$射线管放置在第Ⅱ象限,由平行金属板$A$$B$和平行于金属板的细管$C$组成,细管$C$到两金属板距离相等,右侧的开口在$y$轴上,金属板和细管$C$均平行于$x$轴。放射源$P$$A$板左端,可以沿特定方向发射某一初速度的$\alpha$粒子。若金属板长为$L$、间距为$d$,当$A$$B$板间加上某一电压时,$\alpha$粒子刚好能以速度$v_{0}$从细管$C$水平射出,进入位于第$I$象限的静电分析器中。静电分析器中存在着辐向电场,分布在整个第$I$象限的区域内,电场线沿半径方向,指向与坐标系原点重合的圆心$O$。粒子在该电场中恰好做匀速圆周运动,$\alpha$粒子运动轨迹处的场强大小为$E_{0}$$t=0$时刻$\alpha$粒子垂直$x$轴进入第$IV$象限的交变电场中,交变电场的场强大小为$E_{0}$,方向随时间的变化关系如图乙所示,规定沿$x$轴正方向为电场的正方向。已知$\alpha$粒子的电荷量为$2e$$e$为元电荷)、质量为$m$,重力不计。以下说法中正确的是$(\qquad)$

["

$\\alpha$粒子从放射源$P$运动到$C$的过程中动能减少了$\\dfrac{md^{2}v_{0}^{2}}{L^{2}}$

","

$\\alpha$粒子从放射源$P$发射时的速度大小为$v_{0}\\sqrt{1 + \\dfrac{d^{2}}{L^{2}}}$

","

$\\alpha$粒子在静电分析器中运动的轨迹半径为$\\dfrac{mv_{0}^{2}}{eE_{0}}$

","

$t=2T$时刻,$\\alpha$粒子的坐标为$(\\dfrac{mv_{0}^{2}}{2eE_{0}} + \\dfrac{eE_{0}T^{2}}{m}, - 2\\nu_{0}T)$

"]
[["BD"]]

$\rm AB$、设$\alpha$粒子运动到$C$处时速度为$v_{0}$$\alpha$粒子从放射源$P$运动到$C$的逆运动为类平抛运动,水平方向有:$L=v_{0}t$

竖直方向有:$\dfrac{d}{2} = \dfrac{1}{2}at^{2}$

由牛顿第二定律有:$2e\dfrac{U}{d} = ma$

联立解得:$U = \dfrac{md^{2}v_{0}^{2}}{2eL^{2}}$

$\alpha$粒子从放射源发射出到$C$的过程,由动能定理有

$﹣2e\cdot $$\dfrac{1}{2}$$U=\Delta E_{k}$

解得:$\Delta E_{k} = - eU = - \dfrac{md^{2}v_{0}^{2}}{2L^{2}}$,即$\alpha$粒子从放射源$P$运动到$C$的过程中动能减少了$\dfrac{md^{2}v_{0}^{2}}{2L^{2}}$

$\alpha$粒子发射时速度的大小为$v$$\alpha$粒子从放射源发射至运动到$C$的过程,由动能定理有

$- \dfrac{1}{2} \times 2$$eU$$= \dfrac{1}{2}mv_{0}^{2} - \dfrac{1}{2}mv^{2}$

解得:$v = v_{0}\sqrt{1 + \dfrac{d^{2}}{L^{2}}}$,故$\rm A$错误,$\rm B$正确;

$\rm C$$\alpha$粒子进入静电分析器中,由静电力提供向心力,由牛顿第二定律有$2eE_{0} = m\dfrac{v_{0}^{2}}{r}$

解得$\alpha$粒子在静电分析器中运动的轨迹半径为:$r = \dfrac{mv_{0}^{2}}{2eE_{0}}$,故$\rm C$错误;

$\rm D$$\alpha$粒子垂直$x$轴进入第$IV$象限的交变电场中,$t$$= \dfrac{T}{2}$时,$\alpha$粒子沿$x$方向的速度为

$v_{x}$$= \dfrac{2eE_{0}}{m}$$\cdot $$\dfrac{T}{2}$

所以一个周期内,$\alpha$粒子在$x$方向的平均速度为$\overline{v_{x}} = \dfrac{v_{x}}{2} = \dfrac{eE_{0}T}{2m}$

每个周期$\alpha$粒子在$x$正方向前进距离为$x_{0} = \overline{v_{x}}T = \dfrac{eE_{0}T^{2}}{2m}$

因为开始计时时$\alpha$粒子横坐标为$r = \dfrac{mv_{0}^{2}}{2eE_{0}}$

所以$t=2T$时,$\alpha$粒子的横坐标为$x = r + 2x_{0} = \dfrac{mv_{0}^{2}}{2eE_{0}} + 2 \times \dfrac{eE_{0}T^{2}}{2m}$

$\alpha$粒子的纵坐标为

$y=﹣v_{0}\cdot 2T$

$nT$$\alpha$粒子的坐标为:$(\dfrac{mv_{0}^{2}}{2eE_{0}} + \dfrac{eE_{0}T^{2}}{m}, - 2v_{0}T)$,故$\rm D$正确。

故选:$\rm BD$

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