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如图甲所示,水平加速电场的加速电压为U0,在它的右侧有由水平正对放置的平行金属板a、b构成的偏转电场,已知偏转电场的板长L="0.10"m,板间距离d=5.0×10-2m,两板间接有

网友投稿  2022-11-05 00:00:00  零零社区

◎ 题目

如图甲所示,水平加速电场的加速电压为U0,在它的右侧有由水平正对放置的平行金属板a、b构成的偏转电场,已知偏转电场的板长L="0.10" m,板间距离d=5.0×10-2m,两板间接有如图15乙所示的随时间变化的电压U,且a板电势高于b板电势。在金属板右侧存在有界的匀强磁场,磁场的左边界为与金属板右侧重合的竖直平面MN,MN右侧的磁场范围足够大,磁感应强度B=5.0×10-3T,方向与偏转电场正交向里(垂直纸面向里)。质量和电荷量都相同的带正电的粒子从静止开始经过电压U0=50V的加速电场后,连续沿两金属板间的中线OO′方向射入偏转电场中,中线OO′与磁场边界MN垂直。已知带电粒子的比荷=1.0×108C/kg,不计粒子所受的重力和粒子间的相互作用力,忽略偏转电场两板间电场的边缘效应,在每个粒子通过偏转电场区域的极短时间内,偏转电场可视作恒定不变。
(1)求t=0时刻射入偏转电场的粒子在磁场边界上的入射点和出射点间的距离;
(2)求粒子进入磁场时的最大速度;
(3)对于所有进入磁场中的粒子,如果要增大粒子在磁场边界上的入射点和出射点间的距离,应该采取哪些措施?试从理论上推理说明。

◎ 答案


(1)0.40m(2)1.1×105m/s(3)要增大粒子在磁场边界上的入射点和出射点间的距离x,应该减小匀强磁场的磁感应强度B,或增大加速电压U0

◎ 解析


(1)设经过加速电场加速后,粒子的速度为v0,根据动能定理有
,解得.由于t=0时刻偏转电场的场强为零,所以此时射入偏转电场的粒子将匀速穿过电场而以v0的速度垂直磁场边界进入磁场中,在磁场中的运动轨迹为半圆。
设粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为r,由洛仑兹力公式和牛顿第二定律得 
解得  所以粒子在磁场边界上的入射点和出射点间的距离d=2r=0.40m
(2)设粒子以最大偏转量离开偏转电场,即轨迹经过金属板右侧边缘处,进入磁场时a、b板的电压为Um,则粒子进入偏转电场后,加速度
水平方向 L=v0t
竖直方向
解得
所以,电压Um=25V时对应粒子进入磁场的速度最大,设最大速度大小为vm,方向与OO′的夹角为,则对于粒子通过加速电场和偏转电场的过程,根据动能定理有:
解得
,即?(或,即
(说明:计算结果带有根号,结果正确的同样得分)

(3)设任意时刻进入磁场的粒子,其进入磁场时速度方向与OO′的夹角为,则其速度大小
粒子在磁场中做圆周运动的轨迹半径 
由如图所示的几何关系可知,粒子在磁场边界上的入射点和出射点间的距离

所以要增大粒子在磁场边界上的入射点和出射点间的距离x,应该减小匀强磁场的磁感应强度B,或增大加速电压U0

◎ 知识点

    专家分析,试题“如图甲所示,水平加速电场的加速电压为U0,在它的右侧有由水平正对放置的平行金属板a、b构成的偏转电场,已知偏转电场的板长L="0.10"m,板间距离d=5.0×10-2m,两板间接有…”主要考查了你对  【动能定理】  等知识点的理解和应用能力。关于这些知识点的“档案”,你可以点击相应的链接进行查看和学习。



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