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

如图所示,在$xoy$平面内有以虚线$OP$为理想边界的匀强电场和匀强磁场区域,$OP$$x$轴成$45^\circ$角,$OP$$y$轴之间的磁场方向垂直纸面向外,$OP$$x$轴之间的电场平行于$x$轴向右,电场强度为$E$,在$y$轴上有一点$M$,到$O$点的距离为$L$,现有一个质量为$m$,带电量为$+q$的带电粒子从静止经电压为$U$的电场加速后从$M$点以垂直$y$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

$M$点进入匀强磁场的带电粒子速度的大小?

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$\\sqrt{\\dfrac{2qU}{m}}$

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$M$点进入磁场的带电粒子速度的大小为$v$,根据动能定理得$qU=\dfrac{1}{2}mv^{2}$

解得$v=\sqrt{\dfrac{2qU}{m}}$

为使带电粒子刚好不能进入电场区域,则磁感应强度为$B$应为多大?

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$\\left( \\sqrt{2}+1 \\right)\\sqrt{\\dfrac{2mU}{qL^{2}}}$

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带电粒子刚好不能进入电场区域轨迹如题所示,设磁感应强度为$B$,由图可知$OM=R+\sqrt{2}R=L$

解得$R=\dfrac{L}{1+\sqrt{2}}$

由洛伦兹力提供向心力可得$qvB=m\dfrac{v^{2}}{R}$

解得$B=\left( 1+\sqrt{2} \right)\sqrt{\dfrac{2mU}{qL^{2}}}$

改变匀强磁场的磁感应强度的大小,使带电粒子沿$y$轴负方向进入匀强电场,则带电粒子从$x$轴离开电场时的位置到$O$点的距离为多少?

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$\\dfrac{L}{2}+\\dfrac{EL^{2}}{16U}$

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由图可知带电粒子沿$y$轴负方向进入匀强电场时,在磁场中运动的轨道半径为$R_{1}= \dfrac{L}{2}$,在电场中做类平抛运动,加速度$a=\dfrac{qE}{m}$

$y$轴方向匀速运动,有$R_{1}=vt$

$x$轴方向匀加速运动,有$x=\dfrac{1}{2}at^{2}$

联立解得$x=\dfrac{EL^{2}}{16U}$

$O$点的距离为$\dfrac{L}{2}+\dfrac{EL^{2}}{16U}$

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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 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。 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处由静止开始,经加速电压加速后,在距偏转电极等距处的点垂直进入平行板间的匀强电场,偏转电极两板间距为,板长为,已知电子的质量为,所带电量的绝对值为,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。 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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