| 带电粒子在交变电场中的运动 题目答案及解析

稿件来源:高途

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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

带电粒子在交变电场中的运动

图甲为某粒子控制装置的内部结构图,$A$$B$为两块相距很近的平行金属板,板中央有正对小孔$O$$O'$$B$板右侧靠近$B$板处有关于$OO'$连线对称放置的平行金属板$M$$N$$M$$N$$L=0.1\;\rm m$,板间距离$d=4 \times 10^{-2}\;\rm m$,两板间加有恒定电压$U_{2}=16\;\rm V$,其内部偏转电场视为匀强电场。在$MN$右侧相距也为$L$处有一垂直$OO'$连线放置的粒子接收屏$P$(屏足够大)。一束带正电的粒子以相同的初动能$E_{0}=1\times10^{-2}\;\rm J$源源不断地从小孔$O$垂直$A$板射向$O'$,粒子的带电量为$q=1\times10^{-4}\;\rm C$。现在$A$$B$板间加上图乙所示的周期性变化的电压$U_{1}$,其中$A$板电势低于$B$板时,$U_{1}$为负值。若不计粒子穿过$A$$B$板所用的时间,忽略粒子重力及粒子间的相互作用。求

$0-4\;\rm s$内,哪些时间段有粒子从$B$板小孔$O'$射出?

[["

$0\\lt t\\lt 0.5\\;\\rm s$$1.5\\;{\\rm s}\\lt t\\lt 4\\;\\rm s$,粒子可以穿出

"]]

粒子带正电,在电场作用下减速至$0$$E_{0}=Uq$,解得$U=100\;\rm V$,则$0\lt t\lt 0.5\;\rm s$$1.5\;{\rm s}\lt t\lt 4\;\rm s$,粒子可以穿出。

$t=0$时刻从小孔$O$射入的粒子,

①在偏转电场中的偏转量$y$

②穿出偏转电场时的动能$E_{k}$

[["

$y=0.01\\;\\rm m$;②$E_{k}=0.0104\\;\\rm J$

"]]

$t=0$时刻从小孔$O$进入的粒子,初动能为$E_{0}=1 \times 10^{-2}\;\rm J$,在偏转电场,竖直方向有$y=\dfrac{1}{2}at^{2}=\dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{U_{2}qL^{2}}{mdv_{0}^{2}}$,其中$E_{\text{0}}= \dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$,解得$y=0.01\;\rm m$

②由动能定理可知$E_{\text{k}}=E_{0}+\dfrac{U_{2}qx}{d}$,则$E_{k}=0.0104\;\rm J$

接收屏$P$被粒子打中区域的长度$l$

[["

$5\\;\\rm cm$

"]]

粒子在$t=3\;\rm s$射入偏转电场时动能最大,在电场中的偏转量最小,则$E_{k}=E_{0}+qU_{1}=3 \times 10^{-2}\;\rm J$

竖直方向有$y_{\min}=\dfrac{1}{2}at^{2}=\dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{U_{2}qL^{2}}{dmv^{2}}$,其中$E_{\text{k}}=\dfrac{1}{2}mv^{2}$,解得$y_{\min}=\dfrac{1}{3}\text{cm}$,故接收屏被粒子打中的区域长度为$l=3\left( \dfrac{d}{2}-y_{\min} \right)=5\;\rm \text{cm}$

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实验小组用图甲所示装置研究电子在平行金属板间的运动。将放射源靠近速度选择器,速度选择器中磁感应强度为(垂直纸面向里),电场强度为(竖直向下)、能沿水平方向发出不同速率的电子。某速率粒子能沿直线通过速度选择器,再沿平行金属板、的中轴线射出板间。已知水平金属板长为、间距为,两板间加有图乙所示的交变电压,电子的电荷量为,质量为(电子重力及相互间作用力忽略不计),以下说法中正确的有 如图甲所示,两水平金属板间距为,板间电场强度的变化规律如图乙所示。时刻,一质量未知、电荷量为的微粒以初速度沿中线射入两板间,时间内微粒匀速运动,时刻微粒恰好经金属板边缘飞出。微粒运动过程中未与金属板接触,重力加速度的大小为,下列说法正确的是 图甲为直线加速原理示意图,它由多个截面积相同的同轴金属圆筒依次组成,奇数序号与偶数序号圆筒分别与交变电源相连,交变电源两极间电压变化规律如图乙。在时,奇数圆筒比偶数圆筒电势高,此时序号为的金属圆板中央有一电子由静止开始在各狭缝间不断加速。若电子质量为,电荷量为,交变电源电压大小为,周期为。不考虑电子的重力和相对论效应,且忽略电子通过狭缝的时间。下列说法正确的是 如图()所示,平行正对的金属板、间加有如图()所示的变化电压,重力可忽略的带正电粒子被固定在两板的正中间处。若在时刻释放该粒子,粒子先向板运动,再向板运动…,最终打在板上。则可能属于的时间段是 匀强电场的电场强度随时间变化的图像如图所示。当时,在此匀强电场中由静止释放一个带正电的粒子,带电粒子只受静电力的作用,下列说法正确的是 图甲为直线加速器原理示意图,它由多个截面积相同的同轴金属圆筒组成,奇数序号与偶数序号圆筒分别与交变电源相连,交变电源两极间电压变化规律如图乙。在时,奇数圆筒比偶数圆筒电势高,此时序号为的金属圆板中央有一电子由静止开始在各狭缝间不断加速。若电子质量为,电荷量为,交变电源电压大小为,周期为。不考虑电子的重力和相对论效应,且忽略电子通过狭缝的时间。下列说法正确的是
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