题目内容

4.如图所示,在足够大的金属板A上有一小孔S,粒子源C可由小孔S向各个方向射出速率υ=2×104 m/s的带负电粒子,B为金属网,A、B连接在电路上,电源的电压U0=6V、内阻不计.图中滑动变阻器滑片置于中点并保持不动,A、B间距d1=15cm,M为足够大的荧光屏,B、M间距d2=30cm,当粒子穿过金属网打到荧光屏上时,荧光屏上就会出现一个圆形的亮斑.已知粒子的比荷$\frac{q}{m}$=2×108 C/kg,不考虑粒子所形成的电流对电路的影响,粒子重力不计.求:
(1)A、B间电场(视为匀强电场)的电场强度大小E;
(2)粒子到达荧光屏的最短时间t;
(3)亮斑的面积S(取π=3).

分析 (1)求出电容器板间的电压U,由E=$\frac{U}{d}$求出A、B间的场强大小;
(2)粒子的初速度垂直A板方向时运动时间最短,根据动能定理列式求解末速度,根据分运动公式列式求解最短时间;
(3)当粒子的初速度垂直电场线时,做类似平抛运动,在荧光屏上形成最大的圆,根据分运动规律列式求解即可

解答 解:(1)电容器额的电压为:U=I•$\frac{R}{2}$=$\frac{{U}_{0}}{R}$×$\frac{R}{2}$=$\frac{{U}_{0}}{2}$=$\frac{6V}{2}$=3V,
A、B间的电场强度大小:E=$\frac{U}{{d}_{1}}$=$\frac{3V}{0.15m}$=20V/m;
(2)经分析可知,从粒子源C射出的粒子中,速度水平向右的粒子到达荧光屏的时间最短,
设这些粒子到达金属网B处的速度大小为v1,由动能定理得:qU=$\frac{1}{2}$mv12-$\frac{1}{2}$mv2,解得:v1=4×104m/s;
粒子在A、B间做匀加速直线运动,运动的时间为:t1=$\frac{{d}_{1}}{\frac{v+{v}_{1}}{2}}$=$\frac{0.15}{\frac{2×1{0}^{4}+4×1{0}^{4}}{2}}$=5×10-6s;
粒子从金属网B到荧光屏M做匀速直线运动,运动的时间为:t2=$\frac{{d}_{2}}{{v}_{1}}$=$\frac{0.3}{4×1{0}^{4}}$=7.5×10-6s;
又:t=t1+t2,解得:t=1.25×10-5s;
(3)经过分析可知,从离子源C射出的粒子中,速度平行金属板A的那些粒子到达荧光屏M的距离最远,形成最大圆;
设粒子在AB间做类平抛运动的时间为t1′,有:d1=$\frac{1}{2}$at1′2,加速度:a=$\frac{qE}{m}$,=4×109m/s2,
粒子从金属网B运动到荧光屏M的时间为:t2′=$\frac{{d}_{2}}{{v}_{1}}$,其中v1′=at1′,
粒子沿着平行金属板方向通过的路程为:L=v(t1′+t2′),
亮斑的面积:S=πL2,解得:S≈0.36m2;
答:(1)A、B间电场的电场强度大小E为20V/m;
(2)粒子到达荧光屏的最短时间t为1.25×10-5s;
(3)亮斑的面积S为0.36m2.

点评 本题考查了粒子在电场中的运动,分析清楚粒子在电场中的运动过程是解题的前提与关键,沿水平方向射入的粒子运动时间最短;初速度与极板平行的粒子竖直位移最大,求出其竖直分位移即可求亮斑的半径,然后可以求出亮斑的面积;分析清楚粒子运动过程、应用运动学公式可以解题,解题时要注意运动的合成与分解方法飞应用.

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