题目内容

4.如图所示,在y轴左侧放置一加速电场和偏转电场构成的发射装置,C、D两板的中心线处于y=8cm的直线上;右侧圆形匀强磁场的磁感应强度大小为B=$\frac{2}{3}$T、方向垂直xOy平面向里,在x轴上方11cm处放置一个与x轴平行的光屏.已知A、B两板间电压UAB=100V,C、D两板间电压 UCD=300V,偏转电场极板长L=4cm,两板间距离d=6cm,磁场圆心坐标为(6,0)、半径R=3cm.现有带正电的某种粒子从A极板附近由静止开始经电场加速,穿过B板沿C、D两板间中心线y=8cm进入偏转电场,由y轴上某点射出偏转电场,经磁场偏转后打在屏上.带电粒子比荷$\frac{q}{m}$=106c/kg,不计带电粒子的重力.求:
(1)该粒子射出偏转电场时速度大小和方向;
(2)该粒子打在屏上的位置坐标;
(3)若将发射装置整体向下移动,试判断粒子能否垂直打到屏上?若不能,请简要说明理由.若能,请计算该粒子垂直打在屏上的位置坐标和发射装置移动的距离.

分析 (1)应用动能定理与类平抛运动规律可以求出速度大小与方向;
(2)作出粒子运动轨迹,分析清楚运动过程,然后求出坐标位置;
(3)由牛顿第二定律求出粒子轨道半径,作出粒子运动轨迹,然后答题.

解答 解:(1)在加速电场中,由动能定理得:$q{U}_{AB}^{\;}=\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$-0,
粒子在偏转电场中做类平抛运动,
在水平方向:$L={v}_{0}^{\;}t$
在竖直方向:${d}_{1}^{\;}=\frac{1}{2}a{t}_{\;}^{2}=\frac{1}{2}\frac{q{U}_{CD}^{\;}}{md}{t}_{\;}^{2}$,
速度偏角的正切值:$tanθ=\frac{{v}_{y}^{\;}}{{v}_{0}^{\;}}=\frac{at}{{v}_{0}^{\;}}=\frac{L{U}_{CD}^{\;}}{2d{U}_{AB}^{\;}}=1$,
代入数据解得速度大小:$v=2×1{0}_{\;}^{4}m/s$
速度方向与x轴正方向夹角为θ=45°;
(2)如图1所示,粒子与y轴负方向成45°进入第一象限做匀速运动,进入磁场后做匀速圆周运动,运动四分之一周期,出磁场后出磁场后做匀速运动.由对称关系,粒子射出磁场时速度与x轴正方向成45°,
y=11cm,x=6cm+11cm=17cm,打在屏上的位置坐标(17cm,11cm);

(3)粒子在磁场中做匀速圆周运动,由牛顿第二定律得得:qvB=m$\frac{{v}_{\;}^{2}}{r}$,
解得轨道半径:r=3cm,
根据磁聚集原理,带电粒子在磁场中的轨道半径与圆形匀强磁场的半径R相等时,
带电粒子必会聚于同一点,会聚的位置与粒子入射方向相垂直的直径的端点,
即为如图2所示的N点.                                         
假设粒子可以垂直打在屏上.由几何关系得,垂直打到屏的位置坐标:
x=6+3$\frac{\sqrt{2}}{2}$cm,y=11cm,位置坐标为(6+3$\frac{\sqrt{2}}{2}$,11);
因要求粒子垂直打到屏,则射出磁场时的速度方向与x轴垂直,
此时粒子的轨道半径与x轴平行,从而推得射入磁场时的位置为x轴的M点(菱形对边平行且相等).
向下移动的距离:S=R=3cm(等腰梯形的两腰相等),粒子可以垂直打在屏上.
答:(1)该粒子射出偏转电场时速度大小2×104m/s,速度方向与x轴正方向夹角θ=45°;
(2)该粒子打在屏上的位置坐标为(17cm,11cm);
(3)若将发射装置整体向下移动,粒子能垂直打到屏;该粒子垂直打在屏上的位置坐标为(6+3$\frac{\sqrt{2}}{2}$,11),发射装置移动的距离为3cm.

点评 本题考查了粒子在电磁场中的运动,分析清楚粒子运动过程、作出粒子运动轨迹是正确解题的前提与关键;分析清楚运动过程后,应用动能定理、类平抛运动规律、牛顿第二定律即可正确解题.

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