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高中 | 运动的合成与分解题目答案及解析如下,仅供参考!
必修2
第五章 曲线运动
5.1 曲线运动
运动的合成与分解
利用电场控制带电粒子运动有着重要的理论和应用价值。如题图$1$所示,$xOy$平面直角坐标系中,点$M$、$N$的坐标分别为$(d,0.75d)$、$(d,0)$,虚线与坐标轴围成的矩形区域内分布有周期为$T$($T$未知)且可调节的交变电场,电场强度大小为$E$、方向与$y$轴平行,其变化规律如题图$2$所示(一个周期$T$内正、负电场持续的时间相同)。$t=0$时刻,一质量为$m$、电荷量为$e$的电子,以初动能$E_{k}$从$O$点射入电场,入射角(与$+y$轴夹角)为$\theta$($\theta$未知),在$xOy$平面内运动,不计电子重力及电子间的相互作用,忽略电场方向突变的影响,$\sin37^\circ =0.6$。

当$\theta=\theta_{0}$时,若该电子能从$MN$边射出,求该电子通过电场的时间;
$\\dfrac{d}{\\sin\\theta_{0}}\\sqrt{\\dfrac{m}{2E_{k}}}$
"]]由动能表达式$E_{k}= \dfrac{1}{2}mv^{2}$
根据运动学公式$v\sin\theta_{0} ⋅ t=d$
联立解得$t=\dfrac{d}{\sin\theta_{0}}\sqrt{\dfrac{m}{2E_{k}}}$
当$\theta=37^\circ $时,$t=T$时刻关闭电场后,若该电子能通过$M$点,求对应的交变电场的周期$T$;
$\\sqrt{\\dfrac{7dm}{3eE}}$
"]]由运动学公式,在水平方向,有$x= v\sin\theta \cdot \dfrac{T}{2}$
在竖直方向,有$y=v\cos\theta \cdot \dfrac{T}{2}-\dfrac{1}{2}a{\left(\dfrac{T}{2}\right)}^{2}$
其中加速度为$a=\dfrac{eE}{m}$
根据几何关系,有$d-2x=(0.75d-2y)\tan\theta$
联立解得$T=\sqrt{\dfrac{7dm}{3eE}}$
当$E_{k}= \dfrac{eEd}{3}$时,$t=0$时刻$N$个电子从$O$点在$\theta $为$0 \sim \dfrac{\pi}{2}$范围内同时均匀射入电场,则$t=3T$时刻$M$点有电子射出;若调整电场的周期$T$,$t=0$时刻$N$个正电子(质量为$m$、电荷量为$+e$、$E_{k} =\dfrac{eEd}{3}$),从$O$点在$\theta $为$0 \sim \dfrac{\pi}{2}$范围内同时均匀射入电场,则$t=3T$时刻$M$点有正电子射出。求两种情形下,从$MN$边射出的电子与正电子的数量之比$N_{−}:N_{+}$。
$\\left( \\theta_{2}-\\dfrac{\\pi}{4} \\right):\\left( \\dfrac{\\pi}{2}-\\theta_{3} \\right)$(其中$\\cos\\theta_{2}=\\dfrac{\\sqrt{2}- 1}{2}$、$\\tan\\theta_{3}= \\dfrac{\\sqrt{21}+4}{5}$)
"]]$t=3T$时刻,$M$点恰好有电子射出,由运动学公式在水平方向,有$d=v\sin\theta_{1}3T$
在竖直方向,有$\dfrac{1}{6} \cdot \dfrac{3d}{4}=v\cos\theta_{1} \cdot \dfrac{T}{2}-\dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{eE}{m} \cdot {\left(\dfrac{T}{2}\right)}^{2}$
解得$\theta_{1}=\dfrac{\pi}{4}$
恰好不从$ON$边射出,应满足$- \dfrac{\sqrt{2}}{2}v\cos\theta_{2}=v\cos\theta_{2}-\dfrac{qE}{m} \cdot \dfrac{T}{2}$
可得$\cos\theta_{2}=\dfrac{\sqrt{2}-1}{2}$
对正电子,同理由运动学公式在水平方向,有$d=v\sin\theta_{3} ⋅ 3T_{1}$
在竖直方向,有$\dfrac{1}{6} \cdot \dfrac{3d}{4}=v\cos\theta_{3} \cdot \dfrac{T_{1}}{2}+\dfrac{1}{2} \cdot \dfrac{eE}{m} \cdot {\left(\dfrac{T_{1}}{2}\right)}^{2}$
解得$\tan\theta_{3}=\dfrac{\sqrt{21}+4}{5}$
从$MN$边射出的电子与正电子的数量之比${N}_{-}:{N}_{+}=\left( \theta_{2}-\dfrac{\pi}{4} \right):\left( \dfrac{\pi}{2}-\theta_{3} \right)$
(其中$\cos\theta_{2}=\dfrac{\sqrt{2}-1}{2}$、$\tan\theta_{3}=\dfrac{\sqrt{21}+4}{5}$)
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