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

一带正电微粒从静止开始经电压$U_{1}$加速后,射入水平放置的平行板电容器,极板间电压为$U_{2}$。微粒射入时紧靠下极板边缘,速度方向与极板夹角为$45^\circ$,微粒运动轨迹的最高点到极板左右两端的水平距离分别为$2L$$L$,到两极板距离均为$d$,如图所示。忽略边缘效应,不计重力。下列说法正确的是$(\qquad)$

["

$L:d=2:3$

","

$U_{1}:U_{2}=1:1$

","

微粒穿出电容器区域时,速度与竖直方向的夹角的正切值为$3$

","

仅改变微粒的质量或者电荷量,微粒在电容器中的运动轨迹不变

"]
[["BD"]]

$\rm AB$.带电微粒从静止开始经电压$U_{1}$加速后,设其射入水平放置的平行板电容器的速度$v_{0}$,根据动能定理有$qU_{1}=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$,带电微粒在平行板电容器内由射入点到最高点的过程中,竖直方向做匀减速直线运动,有$v_{0}\sin 45^\circ =at_{1}$$\dfrac{qU_{2}}{2d}=ma$$d=\dfrac{v_{0}\sin 45{^\circ}}{2}t_{1}$,水平方向做匀速直线运动,有$2L=v_{0}\cos 45^\circ\cdot t_{1}$

联立解得$L:d=1:1$$U_{1}:U_{2}=1:1$$\rm A$错误,$\rm B$正确;

$\rm C$.带电微粒在平行板电容器内由最高点到射出点的过程中,竖直方向做匀加速直线运动,设射出时竖直方向速度为$v_{y}$,有$v_{y}=at_{2}$,水平方向做匀速直线运动,有$L=v_{0}\cos 45^\circ\cdot t_{2}$,微粒穿出电容器区域的速度与水平方向夹角的正切值$\tan\theta=\dfrac{v_{y}}{v_{0}\cos 45{^\circ}}$,联立解得$\tan\theta=\dfrac{1}{2}$,则速度与竖直方向的夹角的正切值为$\tan\left(\dfrac{\pi}{2}-\theta\right)=2$$\rm C$错误;

$\rm D$.从射入点到最高点$y=\dfrac{1}{2}gt_{1}^{2}$$y=\dfrac{v_{0}\sin 45{^\circ}}{2}t_{1}$$a=\dfrac{qU_{2}}{2md}$$qU_{1}=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$$x=v_{0}\cos 45^\circ\cdot t_{1}$,联立可得$y=d$$x=2y=2d$。即水平、竖直方向的位移与$m$$q$无关,故仅改变微粒的质量或电荷数量,微粒进入平行板电容器的速度和在平行板电容器中的加速度都会改变,微粒从射入点到射出点水平方向和竖直方向的位移均不变,微粒在电容器中的运动轨迹不变,$\rm D$正确。

故选:$\rm BD$

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如图所示,在直角坐标系的坐标平面内,边长为的正方形区域内有沿轴负方向的匀强电场,点在轴正半轴上,点在轴正半轴上,区域外有垂直于坐标平面向外的匀强磁场,在坐标为 ,点以大小为的速度沿轴正向射出一个质量为、带正电荷量为的粒子。粒子第一次经电场偏转从的中点射出电场,此后粒子恰好从点第二次进入电场,不计粒子的重力,求: 如图所示,在竖直平面直角坐标系中,轴上方空间覆盖有方向竖直向下的匀强电场,电场强度大小未知;轴下方空间覆盖有方向竖直向上的匀强磁场,磁感应强度大小为。一质量为、电量为的带正电金属小球,由第二象限中的某点沿轴正方向以大小为的速度水平抛出,经过时间后,小球以与轴正方向成角的速度到达坐标原点,刚好与在点静止释放的金属小球弹性正碰;已知金属小球质量为,开始不带电,与小球碰后,获得小球一半电量:两球可以看成质点,忽略碰后两球间电荷的作用力和空气阻力,重力加速度大小为,,求: 如图甲,在第三象限有方可沿轴正向、电场强度的匀强电场,在第二象限有与轴成斜向下的匀强电场,在轴右侧有如图乙所示的交变磁场(垂直纸面向里为磁场的正方向,)。一质量为、电荷量为的带正电粒子,在点由静止释放,点坐标为,经轴上点进入第二象限,经轴上的点(图中未画出)垂直轴离开第二象限,与静止在点的另一质量也为、不带电的粒子相碰,碰后立即粘在一起进入第一象限,此时,磁场从零时刻开始计时,所有粒子均不计重力,,、、、、已知。求: 如图所示,光滑绝缘水平轨道上方的区域内有竖直向上的匀强电场,以点为坐标原点建立坐标系,在第一象限中有垂直纸面向外的匀强磁场。一质量为、电荷量为的绝缘小球从点出发,以初速度水平向右从点进入右侧电场区域,并且从点进入第一象限。已知,匀强电场场强大小,匀强磁场磁感应强度大小。小球可视为质点,全过程小球电荷量保持不变,不计空气阻力,重力加速度为。求: 图甲为某粒子控制装置的内部结构图,、为两块相距很近的平行金属板,板中央有正对小孔和,板右侧靠近板处有关于连线对称放置的平行金属板、,、长,板间距离,两板间加有恒定电压,其内部偏转电场视为匀强电场。在右侧相距也为处有一垂直连线放置的粒子接收屏(屏足够大)。一束带正电的粒子以相同的初动能源源不断地从小孔垂直板射向,粒子的带电量为。现在、板间加上图乙所示的周期性变化的电压,其中板电势低于板时,为负值。若不计粒子穿过、板所用的时间,忽略粒子重力及粒子间的相互作用。求 如图所示,质量为、电荷量为的离子从处由静止释放,经电场加速后沿图中圆弧虚线匀速率地通过静电分析器,再从点垂直进入矩形有界匀强电场,电场左侧为离子接收屏。已知静电分析器通道内有均匀辐射方向分布的电场,加速电场的电压为,圆弧虚线的半径为,,离子重力不计。求:
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