高中 | 带电粒子在交变电场中的运动 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

带电粒子在交变电场中的运动

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$P$靠近速度选择器,速度选择器中磁感应强度为$B$(垂直纸面向里),电场强度为$E$(竖直向下)、$P$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$A$$B$的中轴线$O_{1}O_{2}$射出板间。已知水平金属板长为$L$、间距为$d$,两板间加有图乙所示的交变电压,电子的电荷量为$e$,质量为$m$(电子重力及相互间作用力忽略不计),以下说法中正确的有$(\qquad)$

["

沿直线穿过速度选择器的电子的速率为$\\dfrac{E}{B}$

","

只增大速度选择器中的电场强度$E$,沿中轴线射入的电子穿过板间的时间变长

","

$t=\\dfrac{T}{4}$时刻进入$A$$B$板间的电子恰能水平飞出金属板的位置一定在$O_{2}$

","

$t=0$时刻进入金属板间$A$$B$的电子恰能水平飞出,则$T=\\dfrac{BL}{nE}(n=1,2,3…)$

"]
[["AD"]]

$\rm A$、沿直线穿过速度选择器的电子所受洛伦兹力与电场力平衡,即$evB=eE$

解得电子的速率为:$v=\dfrac{E}{B}$,故$\rm A$正确;

$\rm B$、只增大速度选择器中的电场强度$E$,根据$\rm A$选项的结论:$v=\dfrac{E}{B}$,可知沿中轴线射入金属板$A$$B$间的电子速率增大,电子沿中轴线的方向做匀速直线运动,由$t= \dfrac{L}{v}$可知穿过板间的时间变短,故$\rm B$错误;

$\rm C$、若$t=\dfrac{T}{4}$时刻进入$A$$B$板间的电子始终在板间运动,其运动过程如下:

$\dfrac{T}{4}\sim \dfrac{T}{2}$时间内,电子在竖直方向向上加速运动,$\dfrac{T}{2}\sim \dfrac{3T}{4}$时间内,电子在竖直方向向上减速运动,在$\dfrac{3T}{4}$时刻竖直方向的速度为零,位置在中轴线上方;$\dfrac{3T}{4}\sim T$时间内,电子沿竖直方向向下加速运动,$T\sim \dfrac{5T}{4}$时间内,电子在竖直方向向下减速运动,在$\dfrac{5T}{4}$时刻竖直方向的速度为零,位置恰好在中轴线上,之后电子如此反复周期性运动且运动周期为$T$

由上述分析可知,电子在$\dfrac{3T}{4} +nT(n=0,1,2,3…)$时刻速度为水平方向,若此刻飞出电场,其位置在$O_{2}$点上方;

电子在$\dfrac{5T}{4} +nT(n=0,1,2,3…)$时刻速度为水平方向,若此刻飞出电场,其位置在$O_{2}$点,故$\rm C$错误;

$\rm D$、若$t=0$时刻进入金属板间$A$$B$的电子恰能水平飞出,与$\rm C$选项同理,电子射出金属板的时刻为:$t=nT(n=0,1,2,3…)$

则电子的速率为:$v=\dfrac{L}{t}=\dfrac{L}{nT}(n=1,2,3…)$

$\rm A$选项的结果$v=\dfrac{E}{B}$,联立可得:$T=\dfrac{BL}{nE}(n=1,2,3…)$,故$\rm D$正确。

故选:$\rm AD$

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