高中 | 带电粒子在等效重力场中的运动 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

带电粒子在等效重力场中的运动

如图,在竖直平面内有一圆心为$O$、半径为$R$的圆形区域,圆内有一场强大小为$E$的水平匀强电场,方向与该区域平面平行,圆的直径$MN$与水平方向夹角$\theta =45{}^\circ $。质量为$m$、电荷量为$q$的带正电微粒从$M$点以不同水平速度向右射入电场,微粒通过圆形区域的过程中,电势能增加量最大值为$\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }{{E}_{\text{p}}}$,动能增加量最大值为$\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }{{E}_{\text{k}}}$。已知速度大小为$v$的微粒恰能运动到$N$点且速度大小也为$v$,重力加速度大小为$g$。下列等式成立的是$(\quad\ \ \ \ )$

["

$E=\\dfrac{mg}{q}$

","

$R=\\dfrac{\\sqrt{2}{{v}^{2}}}{2g}$

","

$\\text{ }\\!\\!\\Delta\\!\\!\\text{ }{{E}_{\\text{k}}}=\\dfrac{1}{2}m{{v}^{2}}$

","

$\\text{ }\\!\\!\\Delta\\!\\!\\text{ }{{E}_{\\text{p}}}=\\dfrac{\\sqrt{2}+1}{2}m{{v}^{2}}$

"]
[["AC"]]

$\rm A$.微粒在重力场和电场组成的等效重力场中做类斜抛运动,已知速度大小为$v$的微粒恰能运动到$N$点且速度大小也为$v$,则等效重力场方向与$MN$方向垂直且斜向左下方,则有$qE=\dfrac{mg}{\text{tan}{{45}^{\circ }}}=mg$,得$E=\dfrac{mg}{q}$,故$\rm A$正确;

$\rm B$.已知速度大小为$v$的微粒恰能运动到$N$点,根据抛体对称性,微粒在N点的速度方向竖直向下。在竖直方向微粒做自由落体运动,有$\sqrt{2}R=\dfrac{{{v}^{2}}}{2g}$,解得$R=\dfrac{\sqrt{2}{{v}^{2}}}{4g}$,故$\rm B$错误;

$\rm C$.过$O$点做$MN$的垂线与圆形区域下方交点为等效重力场的最低点,从$M$点运动到该最低点时,等效重力$m{g}'=\sqrt{{{\left( qE \right)}^{2}}+{{\left( mg \right)}^{2}}}=\sqrt{2}mg$做功最大,动能增加量最大,故$\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }{{E}_{\text{k}}}=\sqrt{2}mgR=\dfrac{1}{2}m{{v}^{2}}$,故$\rm C$正确;

$\rm D$.从$M$点运动到圆形区域最右侧时克服电场力做功最多,电势能增加量最大,故$\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }{{E}_{\text{p}}}=qE\cdot \left( R+\dfrac{\sqrt{2}}{2}R \right)=\dfrac{\sqrt{2}+1}{4}m{{v}^{2}}$,故$\rm D$错误。

故选$\rm AC$

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如图所示,有一半径为的圆轨道,其所在平面有水平向左的匀强电场,电场强度大小。一质量为、电荷量为()的小球沿轨道内侧在竖直平面内运动,小球能在竖直平面内做完整的圆周运动,、为轨道水平直径的两端,是轨道最低点,小球经过点时对轨道的压力为,已知重力加速度大小为。求: 如图所示,一端固定的长为的绝缘轻绳悬挂一质量为的绝缘小球,小球带正电,可视为质点。初始时,小球静止于点,现给空间施加一大小为,水平向右的恒定匀强电场,小球恰能到达点(未画出),已知重力加速度为,不计空气阻力,则 如图所示,绝缘水平面上固定一光滑绝缘的竖直圆弧轨道,圆心为,点与圆心等高,点为轨道的末端,半径,点为圆弧轨道与水平面的切点,与水平方向的夹角。质量、电荷量的滑块静止在点,已知,滑块与水平面间的动摩擦因数。某时刻在整个空间加上水平向左的电场强度的匀强电场,经过一段时间滑块从点离开圆轨道。滑块可视为质点,重力加速度,,规定点电势为零。求: 如图所示,有一带电物块(可视为质点)静止在光滑斜面的 处,物块的电荷量,质量 ,斜面的倾角为。斜面与水平绝缘轨道 平滑,在直线 左侧有水平向左的匀强电场, 右侧有水平向右的匀强电场,水平轨道 与竖直平面内的半圆形绝缘光滑轨道 平滑连接,半圆形轨道的半径。现撤去电场,物块从 处由静止下滑,恰好能通过半圆形轨道的最高点 ,然后落至水平轨道 上。已知 距离水平轨道的高度为,带电物块与 间的动摩擦因数为 ,取 ,求: 设在地面上方的真空室内,存在着方向水平向右的匀强电场和方向垂直于纸面向内的匀强磁场,如图所示。一段光滑且绝缘的圆弧轨道固定在纸面内,其圆心为点,半径,,连线在竖直方向上,弧对应的圆心角。今有一质量、电荷量的带电小球,以的初速度沿水平方向从点射入圆弧轨道内,一段时间后从点离开,此后小球做匀速直线运动。重力加速度,,。求: 如图所示,在竖直平面内有水平向左的匀强电场,在匀强电场中有一根长为的绝缘细线,细线一端固定在点,另一端系一质量为的带电小球。小球静止时细线与竖直方向成角,此时让小球获得初速度且恰能绕点在竖直平面内沿逆时针方向做圆周运动,重力加速度为,不考虑空气阻力。下列说法正确的是
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