高中 | 带电粒子在匀强电场中的偏转运动 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

带电粒子在匀强电场中的偏转运动

示波器是一种常用的实验仪器,它常被用来显示电信号随时间变化的情况,其核心部件示波管的简化原理图如图所示。一电子(重力不计)在加速电极的左侧极板附近$A$处由静止开始,经加速电压$U_{1}$加速后,在距偏转电极等距处的$B$点垂直进入平行板间的匀强电场,偏转电极两板间距为$d$,板长为$l$,已知电子的质量为$m$,所带电量的绝对值为$e$,若电子恰能从偏转电极下极板的右边缘飞出,求偏转电极下极板与上极板之间的电势差$U_{2}$

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$U_{2}=\\dfrac{2d^{2}}{l^{2}}U_{1}$

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设电子经加速电场加速后获得的速度为$v0$,它从$A$运动到$B$的过程中,由动能定理得$eU_{1}=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}-0$

电子在偏转电场(设场强大小为$E$)中做类平抛运动,设历时$t$,加速度大小为$a$;它恰能从偏转电极下极板的右边缘飞出,则 由运动学公式和牛顿第二定律得:

水平方向上有$t=\dfrac{l}{v_{0}}$

竖直方向$\dfrac{d}{2}=\dfrac{1}{2}at^{2}$$a=\dfrac{Ee}{m}$

再由匀强电场中场强与电势差的关系得$E=\dfrac{U_{2}}{d}$

解得$U_{2}=\dfrac{2d^{2}}{l^{2}}U_{1}$

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如图所示的真空环境中,由、、三个平行界面分隔出的Ⅰ、Ⅱ两个区域,宽度均为,沿界面放置足够长的荧光屏。一带电量为、质量为的带正电粒子从界面上的点以速度垂直界面射入区域Ⅰ。若在区域Ⅰ加上垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为,粒子能打在荧光屏上的某一点(未画出);若在区域Ⅰ加上与界面平行的匀强电场,粒子也能击中荧光屏上的点。不计粒子重力,不计边界效应。求 如图所示,在平面内有以虚线为理想边界的匀强电场和匀强磁场区域,与轴成角,与轴之间的磁场方向垂直纸面向外,与轴之间的电场平行于轴向右,电场强度为,在轴上有一点,到点的距离为,现有一个质量为,带电量为的带电粒子从静止经电压为的电场加速后从点以垂直轴的速度方向进入磁场区域(加速电场图中没有画出),不计带电粒子的重力,求 现代科学仪器常利用电场、磁场控制带电粒子的运动。如图所示,平面直角坐标系中第象限存在垂直于纸面向外的匀强磁场(大小未知);第象限存在沿轴正方向的大小未知的匀强电场;第象限交替分布着沿方向的匀强电场和垂直平面向里的匀强磁场,电场、磁场的宽度均为,边界与轴垂直,电场强度,磁感应强度。一质量为,电量为的粒子从点以平行于轴的初速度进入第象限,恰好从点进入第象限,然后又垂直于轴进入第象限,多次经过电场和磁场后某时刻粒子的速度沿轴正方向。粒子始终在电场、磁场中运动,不计粒子重力及运动时的电磁辐射。求: 如图所示,在平面直角坐标系第三象限存在竖直向上的匀强电场,场强大小为;第二象限存在水平向右的匀强电场,场强大小也为;第一象限存在水平向左的匀强电场,场强大小为。一质量为、电荷量为的正离子从 点由静止释放,点位置坐标为(,),不计该离子的重力。 如图所示的示波管模型中,电荷量为、质量为的电子从灯丝发出,经加速电场加速后,从中心孔沿极板中心线以速度水平射入平行板电容器,穿出偏转电场后,又经过一段匀速直线运动,最后打到荧光屏上的点。已知平行板电容器两极板间的电压为,板长为,两极板间的距离为,偏转电场两极板右端到荧光屏的距离为,不计电子重力。 如图甲所示,粒子射线管由平行于轴的平行金属板、组成,、板长度和板间距均为,、板中间有平行于轴的绝缘细管,开口在轴上。粒子源放置在极板左下端,可以沿特定方向发射粒子。当、板加上某一电压时,粒子刚好能以速度水平进入细管,保持速度不变,再进入静电分析器中做匀速圆周运动,已知静电分析器中电场线的方向均沿半径方向指向圆心,粒子在静电分析器中运动的轨迹半径为。之后粒子垂直轴进入第四象限(此时对应图乙时刻),施加如图乙所示沿轴方向的交变电场。规定沿轴正方向为电场正方向。已知粒子电荷量大小为,质量为,重力不计。求:
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