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

示波器是一种多功能电学仪器,它是由加速电场和偏转电场组成的。如图所示,质量为$m$的带电粒子由静止开始经加速电场加速后,沿平行于板面的方向从正中间射入偏转电场,并从另一侧射出。已知带电粒子的电荷量为$q$,加速电场电压为$U_{1}$,偏转电场的极板长度为$L$,两极板间的距离为$d$,偏转电场极板间的电压为$U_{2}$且可调节,不计粒子的重力。则下列说法正确的是$(\qquad)$

 

["

粒子离开偏转电场时的动能为$q(U_{1}+U_{2})$

","

同种电性的不同带电粒子,射出装置的位置相同

","

减小$U_{2}$,带电粒子通过偏转电场的时间变长

","

若粒子刚好从下极板边缘离开偏转电场,则$\\dfrac{U_2}{U_1}=\\dfrac{2{d^2}}{L^2}$

"]
[["BD"]]

$\rm A$、对粒子从静止到离开偏转电场,由动能定理得:$E_{k}-0=W_{1}+W_{2}$

可知粒子离开偏转电场获得的动能等于加速电场做功$W_{1}$和偏转电场做功$W_{2}$,其中$W_{1}=qU_{1}$$W_{2}\ne qU_{2}$

所以粒子离开偏转电场时的动能并不等于$q(U_{1}+U_{2})$,故$\rm A$错误;

$\rm B$、带电粒子在加速电场中,由动能定理有$q{U_1}=\dfrac{1}{2}mv_1^2$,可得${v_1}=\sqrt{\dfrac{2q{U_1}}{m}}$

带电粒子在偏转电场中做类平抛运动,水平方向做匀速直线运动,由于粒子从另一侧射出,则在偏转电场极板间运动的时间为$t=\dfrac{L}{v_1}=L\sqrt{\dfrac{m}{2q{U_1}}}$

带电粒子在偏转电场极板间的加速度为$a=\dfrac{F}{m}=\dfrac{{U_2}q}{md}$

竖直方向的位移为$y=\dfrac{1}{2}a{t^2}=\dfrac{{U_2}{L^2}}{4{U_1}d}$

根据上式可知,带电粒子在电场中偏转,不同带电粒子均从同一位置射出,偏移量与比荷无关,只与装置本身有关,所以同种电性的不同带电粒子,射出装置的位置相同,故$\rm B$正确;

$\rm C$、减小偏转电压并不会影响离开偏转电场的时间,因为该时间由水平位移和水平速度决定,因此时间不变,故$\rm C$错误;

$\rm D$、若刚好从下极板边缘射出,根据偏移量公式有:$\dfrac{d}{2}=\dfrac{{U_2}{L^2}}{4{U_1}d}$,解得:$\dfrac{U_2}{U_1}=\dfrac{2{d^2}}{L^2}$,故$\rm D$正确。

故选:$\rm BD$

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如图所示,在直角坐标系xOy中,第一象限有竖直向上的匀强电场,第二、四象限有垂直纸面向里的匀强磁场。已知质量为m、电荷量为-q的粒子从x轴上的M点以速度v沿y轴正方向进入第二象限,经y轴上N点沿x轴正方向射入第一象限,再从x轴上P点进入第四象限,经y轴上的Q点(图中未画出)射出磁场。已知第二、四象限匀强磁场的磁感应强度大小均为(d为已知量),粒子在P点的速度与x轴正方向成45°角,不计粒子的重力。求: 如图,直角坐标系中,第Ⅰ象限内存在垂直纸面向外的匀强磁场。第Ⅱ、Ⅲ象限中有两平行板电容器、,其中垂直轴放置,极板与轴相交处存在小孔、;垂直轴放置,上、下极板右端分别紧贴轴上的、点。一带电粒子从静止释放,经电场直线加速后从射出,紧贴下极板进入,而后从进入第Ⅰ象限;经磁场偏转后恰好垂直轴离开,运动轨迹如图中虚线所示。已知粒子质量为、带电量为,、间距离为,、的板间电压大小均为,板间电场视为匀强电场,不计重力,忽略边缘效应。求: 如图所示,轴右侧有一半径为的圆形匀强磁场区域,磁场圆与轴相切于原点,磁场方向垂直于平面向里,轴左侧有沿轴正方向的匀强电场。是轴上一点,与原点的距离为,一质量为、电荷量大小为的带负电粒子从点以初速度射出,速度方向与轴正方向夹角,粒子经过轴时速度方向与轴垂直,从磁场离开时速度方向与轴垂直,不计粒子重力。求: 如图所示的平面直角坐标系,在第一象限内有平行于轴的匀强电场,方向沿轴正方向;在第四象限的某个矩形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场,磁场的上边界与轴重合。一质量为、电荷量为的粒子,从点以初速度沿轴正方向射入电场,通过电场后从点立即进入矩形磁场,经过磁场后从轴上的点离开磁场,且速度恰好沿轴。不计粒子所受的重力。求: 汤姆孙利用图所示的静电偏转管成功为阴极射线中带负电的粒子“验明正身”。 从雷电到电容器,从伏打电池到太阳能电池,人类对电现象的研究和应用,深深影响着人类文明的发展。
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