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高中 | 带电粒子在组合场中的运动问题题目答案及解析如下,仅供参考!
选修3-1
第三章 磁场
3.6 带电粒子在匀强磁场中的运动
带电粒子在组合场中的运动问题
如图,真空中两个足够大的平行金属板$M$、$N$水平固定,间距为$d$,$M$板接地。$M$板上方整个区域存在垂直纸面向里的匀强磁场。$M$板$O$点处正上方$P$点有一粒子源,可沿纸面内任意方向发射比荷、速度大小均相同的同种带电粒子。当发射方向与$OP$的夹角$\theta=60^\circ $时,粒子恰好垂直穿过$M$板$Q$点处的小孔。已知$OQ=3L$,初始时两板均不带电,粒子碰到金属板后立即被吸收,电荷在金属板上均匀分布,金属板电量可视为连续变化,不计金属板厚度、粒子重力及粒子间的相互作用,忽略边缘效应。下列说法正确的是$(\qquad)$
粒子一定带正电
","若间距$d$增大,则板间所形成的最大电场强度减小
","粒子打到$M$板上表面的位置与$O$点的最大距离为$7L$
","粒子打到$M$板下表面的位置与$Q$点的最小距离为$\\sqrt{3}d$
"]$\rm A$.根据粒子在磁场中的偏转方向,根据左手定则可知粒子带负电,选项$\rm A$错误;
$\rm B$.随着粒子不断打到$\rm N$极板上,$\rm N$极板带电量不断增加,向下的电场强度增加,粒子做减速运动,当粒子恰能到达$\rm N$极板时满足$v^{2}=2ad$,$a=\dfrac{qE}{m}$
解得$E=\dfrac{mv^{2}}{2qd}$
即$d$越大,板间所形成的最大电场强度越小,选项$\rm B$正确;
$\rm C$.因粒子发射方向与$OP$夹角为$60^\circ$时恰能垂直穿过$M$板$Q$点的小孔,则由几何关系$\cos 60^\circ=\dfrac{3L-r}{r}$
解得$r=2L$
可得$OP=r\sin 60^\circ=\sqrt{3}L$
可得粒子打到$M$板上表面的位置与$O$点的最大距离为$x_{\rm m}=\sqrt{{(2r)}^{2}-{(OP)}^{2}}=\sqrt{13}L$
选项$\rm C$错误;
$\rm D$.因金属板厚度不计,当粒子在磁场中运动轨迹的弦长仍为$PQ$长度时,粒子仍可从$Q$点进入两板之间,由几何关系可知此时粒子从$P$点沿正上方运动,进入两板间时的速度方向与$M$板夹角为$\alpha=30^\circ$,则在两板间运动时间$t=\dfrac{2v\sin\alpha}{a}$
其中$a=\dfrac{v^{2}}{2d}$
打到$M$板下表面距离$Q$点的最小距离$s=v\cos \alpha t$
解得$s=2d\sin 2\alpha=\sqrt{3}d$
选项$\rm D$正确。
故选:$\rm BD$。
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