题目内容

1.如图所示,一个质量为m,带电量为q的微粒(重力忽略不计),从静止开始经U1电场加速后,垂直进入两平行金属板间的偏转电场,其电压U2=$\frac{{U}_{1}}{2}$,金属板长为L,两板间距d=$\frac{\sqrt{3}}{4}$L,求:
(1)微粒进入偏转电场时的速度v0大小
(2)微粒射出偏转电场时的偏转角θ
(3)若该匀强磁场的宽度为D,为使微粒不从该磁场右边射出,则磁感应强度B至少多大?

分析 (1)粒子在加速电场中,电场力做功为qU1,由动能定理求出速度v0.
(2)粒子进入偏转电场后,做类平抛运动,运用运动的分解法,根据牛顿第二定律、运动学和速度的分解求解偏转角θ的正切,再得到偏转角θ.
(3)粒子进入磁场后,做匀速圆周运动,结合条件,画出轨迹,由几何知识求半径,再求B.

解答 解:(1)微粒在加速电场中运动过程,由动能定理得:
qU1=$\frac{1}{2}$mv02     
解得:v0=$\sqrt{\frac{2q{U}_{1}}{m}}$;
(2)微粒在偏转电场中做类平抛运动,有:
加速度为:a=$\frac{q{U}_{2}}{md}$,
飞出电场时,竖直分速度为:vy=at
运动时间为:t=$\frac{L}{{v}_{0}}$
所以速度偏转角的正切为:tanθ=$\frac{{v}_{y}}{{v}_{0}}=\frac{{U}_{2}L}{2{U}_{1}d}=\frac{\frac{1}{2}{U}_{1}L}{2{U}_{1}•\frac{\sqrt{3}}{4}L}=\frac{\sqrt{3}}{3}$    
解得:θ=30°;
(3)带电微粒进入磁场做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力,设微粒轨道半径为R,为使微粒不从该磁场右边射出,其轨迹如图,由几何关系知
$R+\frac{1}{2}R=D$
所以:R=$\frac{2}{3}D$
设微粒进入磁场时的速度为v′,则有:$v′=\frac{{v}_{0}}{cos30°}=\frac{{2\sqrt{3}v}_{0}}{3}$
由牛顿运动定律及运动学规律有:$qv′B=\frac{mv{′}^{2}}{R}$
得:$B=\frac{mv′}{qR}=\frac{m•\frac{2\sqrt{3}{v}_{0}}{3}}{q•\frac{2}{3}D}=\frac{\sqrt{3}m•\sqrt{\frac{2q{U}_{1}}{m}}}{qD}$=$\frac{1}{D}•\sqrt{\frac{6m{U}_{1}}{q}}$.
若带电粒子不射出磁场,磁感应强度B至少为$\frac{1}{D}•\sqrt{\frac{6m{U}_{1}}{q}}$.
答:(1)微粒进入偏转电场时的速度v0大小是$\sqrt{\frac{2q{U}_{1}}{m}}$;
(2)微粒射出偏转电场时的偏转角θ是30°.
(3)若带电粒子不射出磁场,磁感应强度B至少为$\frac{1}{D}•\sqrt{\frac{6m{U}_{1}}{q}}$.

点评 本题是带电粒子在组合场中运动的问题,关键是分析粒子的受力情况和运动情况,用力学的方法处理.

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