| 带电粒子在交变电场中的运动 题目答案及解析

稿件来源:高途

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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,在水平放置平行金属板$\rm A$$\rm B$左侧有一线状粒子发射源(图中未画出),能发出宽度为$d$、速度相同的带正电粒子束。$t=0$时刻该粒子束恰好完全水平进入平行金属板间。已知粒子束的速度$v_{0}=1\times10^{3}\text{ m/s}$,比荷$\dfrac{q}{m}=1\times10^{6}\text{ C/kg}$,两板间距为$d=20\text{ cm}$,板长$L=4\ \text{cm}$,极板间加如图乙所示的交变电压。不考虑电容器的边缘效应,也不考虑击中极板的粒子对板间电压的影响,不计粒子重力和粒子间的相互作用力。则粒子射出电场时的位置到$B$板的距离至少为$(\quad\ \ \ \ )$

["

$0.0025\\text{ m}$

","

$0.005\\text{ m}$

","

$0.01\\text{ m}$

","

$0.015\\text{ m}$

"]
[["B"]]

粒子束在水平方向做匀速直线运动,则其射出电场所需时间为$t=\dfrac{L}{v_{0}}=4\times10^{-5}\text{ s}$

若零时刻射入电场的粒子从靠近$B$板进入电场且能射出电场,$0\sim2\times {{10}^{-5}}\text{s}$时间内,$A$板带正电,$B$板带负电,粒子向下做类平抛运动,粒子的加速度大小为${{a}_{1}}=\dfrac{q{{E}_{1}}}{m}=\dfrac{q{{U}_{1}}}{md}=5\times {{10}^{7}}\text{m/}{{\text{s}}^{2}}$

竖直方向的位移为${{y}_{1}}=\dfrac{1}{2}{{a}_{1}}t_{1}^{2}=0.01\text{m}$

$2\times10^{-5}\sim4\times10^{-5}\text{s}$时间内,$A$板带负电,$B$板带正电,粒子向下做类斜抛运动,粒子的加速度大小为${{a}_{2}}=\dfrac{q{{E}_{2}}}{m}=\dfrac{q{{U}_{2}}}{md}=1\times {{10}^{8}}\text{m/}{{\text{s}}^{2}}$

第一段类平抛运动的末速度和第二段类斜抛运动的初速度相同,第二段竖直方向做减速运动,则有${{a}_{1}}{{t}_{1}}={{a}_{2}}{{t}_{2}}$,解得$t_{2}=\dfrac{a_{1}}{a_{2}}t_{1}=1\times10^{-5}\text{ s}$

第二段类斜抛运动在竖直方向的位移为$y_{2}=\dfrac{1}{2}a_{2}t_{2}^{2}=0.005\text{ m}$

当类斜抛运动轨迹与$B$板如下图所示相切时,射出电场时粒子到$B$板距离最小,最小距离为$y_{\text{min}}=y_{2}=0.005\text{ m}$

$\rm B$正确,$\rm ACD$错误。

故选$B$

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