题目内容

(2011?江苏)某种加速器的理想模型如图1所示:两块相距很近的平行小极板中间各开有一小孔a、b,两极板间电压uab的变化图象如图2所示,电压的最大值为U0、周期为T0,在两极板外有垂直纸面向里的匀强磁场.若将一质量为m0、电荷量为q的带正电的粒子从板内a孔处静止释放,经电场加速后进入磁场,在磁场中运动时间T0后恰能再次从a 孔进入电场加速.现该粒子的质量增加了
1100
m0
.(粒子在两极板间的运动时间不计,两极板外无电场,不考虑粒子所受的重力)
(1)若在t=0时刻将该粒子从板内a孔处静止释放,求其第二次加速后从b孔射出时的动能;
(2)现在利用一根长为L的磁屏蔽管(磁屏蔽管置于磁场中时管内无磁场,忽略其对管外磁场的影响),使图1中实线轨迹(圆心为O)上运动的粒子从a孔正下方相距L处的c孔水平射出,请在答题卡图上的相应位置处画出磁屏蔽管;
(3)若将电压uab的频率提高为原来的2倍,该粒子应何时由板内a孔处静止开始加速,才能经多次加速后获得最大动能?最大动能是多少?
分析:(1)求第二次加速后从b孔射出时的动能只需知道加速时所对应的电压,故图2求电压即可.
(2)加入屏蔽管后粒子在屏蔽管中做匀速直线运动,离开屏蔽管后运动轨迹与原来的运动轨迹相似,只是向下平移了l.
(3)从图象可以看出,时间每改变△t=
T0
100
(图象中为1),电压改变为
2
25
U0
(图象中为4),
所以图象中电压分别为50,46,42,38,…10,6,2,共13个,
设某时刻t,u=U0时被加速,此时刻可表示为
T0
2
?N
,静止开始加速的时刻t1t1=
T0
2
?N-n×
101T0
100
,其中n=12,将n=12代入得t1=
T0
2
?N-
1212T0
100
,因为t1
T0
2
,在u>0时,粒子被加速,则最多连续被加速的次数:N=
T0
4
△T

所以只能取N=25,解得t1=
19
25
T0
,由于电压的周期为
T0
2
,所以t=
T0
2
n+
19
25
T0
(n=0,1,2,3…)
故粒子由静止开始被加速的时刻t=(
n
2
+
19
50
)T0
(n=0,1,2,…)
故加速时的电压分别
23
25
U0
21
25
U0
19
25
U0
5
25
U0
3
25
U0
1
25
U0

加速电压做的总功,即动能的最大值,故粒子的最大动能 Ekm=2×(
1
25
+
3
25
+…
23
25
)qU0+qU0

解得 Ekm=
313
25
qU0
解答:解:(1)质量为m0的粒子在磁场中作匀速圆周运动Bqv=
mv2
r
T0=
2πr
v

T0=
m0
qB

当粒子的质量增加了
1
100
m0,其周期增加△T=
1
100
T0
根据题图2可知,粒子第一次的加速电压u1=U0
经过
101T0
100
第二次加速,第2次加速电压u2,如图2
在三角形中,
u2
U0
=
T0
4
-
T0
100
T0
4
=
24
25

所以粒子第二次的加速电压u2=
24
25
U0

粒子射出时的动能 Ek2=qu1+qu2
解得Ek2=
49
25
qU0

(2)因为磁屏蔽管使粒子匀速运动至以下L处,出管后仍然做圆周运动,可到C点水平射出.磁屏蔽管的位置如图1所示.粒子运动的轨迹如图3.
(3)如图4(用Excel作图)设T0=100,U0=50,得到在四分之一周期内的电压随时间变化的图象
从图象可以看出,时间每改变△t=
T0
100
(图象中为1),电压改变为
2
25
U0
(图象中为4),
所以图象中电压分别为50,46,42,38,…10,6,2,共13个,
设某时刻t,u=U0时被加速,此时刻可表示为
T0
2
?N

静止开始加速的时刻t1t1=
T0
2
?N-n×
101T0
100
,其中n=12,将n=12代入得t1=
T0
2
?N-
1212T0
100

因为t1
T0
2
,在u>0时,粒子被加速,则最多连续被加速的次数:N=
T0
4
△T
,得N=25.
所以只能取N=25,解得t1=
19
25
T0
,由于电压的周期为
T0
2
,所以t=
T0
2
n+
19
25
T0
(n=0,1,2,3…)
故粒子由静止开始被加速的时刻t=(
n
2
+
19
50
)T0
(n=0,1,2,…)
故加速时的电压分别
23
25
U0
21
25
U0
19
25
U0
5
25
U0
3
25
U0
1
25
U0

加速电压做的总功,即动能的最大值,故粒子的最大动能 Ekm=2×(
1
25
+
3
25
+…
23
25
)qU0+qU0

解得 Ekm=
313
25
qU0

点评:本题考查带电粒子在磁场中的圆周运动和在电场中的加速运动以及用数学解决物理问题的能力.关键是判断怎样才能得到最大动能即何时加速,加速电压多大.
练习册系列答案
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(2011?江苏模拟)在用落体法验证机械能守恒定律时,某同学按照正确的操作选得纸带如图.其中O是起始点,A、B、C是打点计时器连续打下的3个点.该同学用毫米刻度尺测量O到A、B、C各点的距离,并记录在图中(单位cm).
(1)这三个数据中不符合有效数字读数要求的是_
OC
OC
,应记作
15.70
15.70
cm.
(2)该同学用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒,已知当地的重力加速度g=9.80m/s2,他用AC段的平均速度作为跟B点对应的物体的即时速度,则该段重锤重力势能的减少量为
1.22m
1.22m
,而动能的增加量为
1.20m
1.20m
,(均保留3位有效数字,重锤质量用m表示).这样验证的系统误差总是使重力势能的减少量
大于
大于
动能的增加量,原因是
因为有摩擦生热,减少的重力势能一部分转化为内能
因为有摩擦生热,减少的重力势能一部分转化为内能

(3)另一位同学根据同一条纸带,同一组数据,也用重锤在OB段的运动来验证机械能守恒,不过他数了一下:从打点计时器打下的第一个点O数起,图中的B是打点计时器打下的第9个点.因此他用vB=gt计算跟B点对应的物体的即时速度,得到动能的增加量为
1.23m
1.23m
,这样验证时的系统误差总是使重力势能的减少量
小于
小于
动能的增加量,原因是
v是按照自由落体计算的,对应的下落高度比实际测得的高度要大.
v是按照自由落体计算的,对应的下落高度比实际测得的高度要大.

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