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

如图甲所示,两水平放置的平行导体板$A$$B$,板长为$L$,板间距离为$d$$OO'$为两板中心线,两板间加上有周期性变化的电压$U_{AB}$,如图乙所示(图中$T$为已知值,$U_{0}$为未知值)。左侧$P$为粒子源,源源不断地发出质量为$m$、带电量为$q(q\gt0)$的带电粒子,粒子均以相同的初速度从$O$点水平射入两板间。若带电粒子在$t=0$时刻从$O$点射入平行板,$T$时刻刚好从$B$板的右边缘射出。带电粒子的重力、粒子间相互作用均忽略不计,两板间电场为理想的匀强电场。求:

带电粒子射入平行板的初速度;

[["

$\\dfrac{L}{T}$

"]]

由题可知,粒子在电场中沿水平方向做匀速直线运动,故粒子进入平行板的初速度$v_{0}=\dfrac{L}{T}$

图乙中$U_{0}$的值;

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$\\dfrac{3md^{2}}{2qT^{2}}$

"]]

粒子在平行板竖直方向做匀加速运动,$0 \sim \dfrac{T}{3}$粒子的加速度为$a_{1}$,根据牛顿第二定律可得$\dfrac{q \cdot 2U_{0}}{d}=ma_{1}$

解得$a_{1}=\dfrac{2qU_{0}}{md}$

方向竖直向下,此阶段沿竖直方向偏转的位移$y_{1}=\dfrac{1}{2}a_{1}{\left(\dfrac{T}{3}\right)}^{2}=\dfrac{qU_{0}T^{2}}{9md}$

此时粒子沿竖直方向的速度$v_{y}=a_{1} \cdot \dfrac{T}{3}=\dfrac{2qU_{0}T}{3md}$

$\dfrac{T}{3} \sim T$时间内,粒子竖直方向的加速度为$a_{2}$,根据牛顿第二定律则有$\dfrac{qU_{0}}{d}=ma_{2}$

解得$a_{2}=\dfrac{qU_{0}}{md}$

方向竖直向上,此阶段粒子在竖直方向做匀减速直线运动,偏转位移为$y_{2}=v_{1} \cdot \left(\dfrac{2T}{3}\right)-\dfrac{1}{2}a_{2}{\left(\dfrac{2}{3}T\right)}^{2}=\dfrac{2qU_{0}T^{2}}{9md}$

根据题意可得$y_{1}+y_{2}=\dfrac{d}{2}$

联立解得$U_{0}=\dfrac{3md^{2}}{2qT^{2}}$

$0 \sim \dfrac{T}{3}$时间内$t_{0}$时刻射入平行板的粒子恰好从$O'$点射出,求$t_{0}$

[["

$\\dfrac{T}{6}$

"]]

粒子在$t_{0}$时刻进入平行板,$t_{0} \sim \dfrac{T}{3}$粒子在竖直方向的加速度为$a_{1}=\dfrac{2qU_{0}}{md}$

竖直方向上的位移$y_{1}'=\dfrac{1}{2}a_{1}{\left(\dfrac{T}{3}-t_{0}\right)}^{2}$

此时粒子的速度$v_{1}'=\dfrac{2qU_{0}}{md} \cdot\left(\dfrac{T}{3}-t_{0}\right)$

粒子在$\dfrac{T}{3} \sim T$的时间内,其加速度$a_{2}=\dfrac{qU_{0}}{md}$

此阶段的位移$y_{2}'=v_{1}' \cdot \left(\dfrac{2T}{3}\right)-\dfrac{1}{2}a_{2}{\left(\dfrac{2}{3}T\right)}^{2}$

$T$末时刻粒子的速度$v_{2}=v_{1}'-a_{2}\left(\dfrac{2}{3}T\right)$

设经过$t$时间粒子到达$O'$,此阶段粒子的加速依然为$a_{1}=\dfrac{2qU_{0}}{md}$

此阶段竖直方向的位移$y_{3}=v_{2}t_{0}+\dfrac{1}{2}a_{1}t_{0}^{2}$

由于在竖直方向位移为零,即$y_{1}'+y_{2}'+y_{3}=0$

联立解得$t_{0}=\dfrac{T}{6}$

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如图甲所示,真空中的电极可连续不断地均匀飘出电子(电子的初速度可视为零)。电子经电场加速后,由小孔穿出并沿平行板电容器中轴线射入偏转电场,两板间距为,板长为,两板间加周期性变化的电压如图乙所示,已知加速电压为,电子质量为,电量为,为偏转电场的周期,图中为已知量。不计电子的重力,不计电子间的相互作用力,且所有电子都能离开偏转电场,求: 如图所示,、是一对平行的金属板,在两板间加上一周期为的交变电压,板的电势,板的电势随时间的变化规律如图所示。现有一电子从板上的小孔进入两板间的电场区域内,设电子的初速度和重力的影响可忽略。则 精密条纹相机通过将时域信号转换成空间信息可实现超短激光脉冲持续时间的测量,其简化原理如图所示。某个待测激光脉冲的持续时间为,经过狭缝和聚焦透镜入射至真空条纹管的光电阴极中心。由于光电效应,产生与输入激光脉冲持续时间相同的电子脉冲。电子脉冲先后经加速和偏转等过程打到荧光屏上。阳极与光电阴极间的加速电压为,距离为。偏转极板间距和长度分别为和,其左端与阳极的距离为,右端与荧光屏的距离为。光电效应产生电子的初速度忽略不计,电子不会打到偏转极板上。电子质量为,电荷量为,不考虑电场力和相对论效应,以及电子之间相互作用。所有元件的中心在同一条直线上,并以荧光屏中心为原点、竖直方向为轴建立坐标系。(普朗克常量,光速) 如图为范围足够大的匀强电场的电场强度随时间变化的关系图像。当时,在此匀强电场中由静止释放一个带电粒子,设带电粒子只受电场力的作用,则下列说法中正确的是 如图甲所示,两平行正对的金属板、间加有如图乙所示的交变电压,一重力可忽略不计的带正电粒子被固定在两板的正中间处。若在时刻由静止释放该粒子,关于该粒子的运动正确的是 如图所示为匀强电场的电场强度随时间变化的关系图像。当时,在此匀强电场中静止释放一个带电粒子,设带电粒子只受电场力的作用,则下列说法正确的是
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