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

如图所示,$A$$B$两平行板间距为$d$$B$板与形状为四分之一圆弧的静电分析器左端重合,$A$$B$两板间存在水平向右的匀强电场,静电分析器中存在沿半径方向指向圆心$O$的辐向电场。极板$A$上小孔的$P$点处有一质量为$m$、电荷量为$q$的带电粒子$X$,自$A$板由静止开始向右加速运动,并从极板$B$的小孔沿水平方向进入静电分析器,粒子在静电分析器中恰好沿图示虚线做匀速圆周运动。已知粒子做圆周运动的半径为$R$,轨迹处电场强度的大小均为$E$,粒子重力不计。下列说法正确的是$(\qquad)$

["

$A$$B$极板间的电压为$U_{AB}=ER$

","

粒子从$P$点出发至离开静电分析器运动的总时间$t_{总}=(4d+\\pi R)\\sqrt{\\left( \\dfrac{m}{qER} \\right)}$

","

若粒子从$P$点正下方的$Q$点进入,在静电分析器中做匀速圆周运动的半径为$R'$,则轨迹处的场强$E'=\\dfrac{ER}{R'}$

","

若将$X$粒子更换为比荷为其两倍的$Y$粒子,要使$Y$粒子仍沿图中虚线做匀速圆周运动,需要将虚线处场强大小调整为$\\sqrt{2}E$

"]
[["C"]]

$\rm A$.带电粒子在静电分析器中恰好做匀速圆周运动,由电场力提供向心力,则有$Eq=\dfrac{mv^{2}}{R}$

解得$v=\sqrt{\dfrac{EqR}{m}}$,带电粒子在两平行板间加速,由动能定理可得$\dfrac{1}{2}mv^{2}=\dfrac{U_{\text{AB}}}{d}q \times d$,解得$U_{\text{AB}}=\dfrac{ER}{2}$,故$\rm A$错误;

$\rm B$.粒子从$P$点出发至离开静电分析器运动的总时间为$t=\dfrac{v-0}{\dfrac{E_{\text{AB}}q}{m}}+\dfrac{2\pi R \times \dfrac{1}{4}}{v}=\left( 2d+\dfrac{\pi R}{2} \right)\sqrt{\dfrac{m}{qER}}$,故$\rm B$错误;

$\rm C$.若粒子从$P$点正下方的$Q$点进入,在静电分析器中做匀速圆周运动的半径为$R^\prime$,则有$v=\sqrt{\dfrac{E'qR'}{m}}=\sqrt{\dfrac{EqR}{m}}$,变化可得$E'=\dfrac{ER}{R^{'}}$,故$\rm C$正确;

$\rm D$.根据动能定理可得$Y$粒子在两平行板间加速满足$\dfrac{1}{2}m_{\text{Y}}v_{\text{Y}}^{2}=\dfrac{U_{\text{AB}}}{d}q_{\text{Y}} \times d=\dfrac{ERq_{\text{Y}}}{2}$,解得$v_{\text{Y}}=\sqrt{\dfrac{ERq_{\text{Y}}}{m_{\text{Y}}}}$$Y$粒子仍沿图中虚线做匀速圆周运动,则有$E'q_{\text{Y}}=\dfrac{m_{\text{Y}}v_{\text{Y}}^{2}}{R}$,解得$E'=E$,故$\rm D$错误。

故选:$\rm C$

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