稿件来源:高途
| 带电粒子在交变电场中的运动题目答案及解析如下,仅供参考!
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$O$和$O'$,$B$板右侧靠近$B$板处有关于$OO'$连线对称放置的平行金属板$M$、$N$,$M$、$N$长$L=0.1\;\rm m$,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?
$0\\lt t\\lt 0.5\\;\\rm s$和$1.5\\;{\\rm s}\\lt t\\lt 4\\;\\rm s$,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$0\lt t\lt 0.5\;\rm s$和$1.5\;{\rm s}\lt t\lt 4\;\rm s$,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$E_{k}$;
①$y=0.01\\;\\rm m$;②$E_{k}=0.0104\\;\\rm J$
"]]①$t=0$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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