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带电粒子在电场中偏转的三个重要结论
带电粒子在电场中偏转的三个重要结论
广西合浦廉州中学物理组 秦付平

  关于带电粒子在电场的运动问题,高考题中经常出现,下面我们先看一个例题:

 

  例:如图所示,质量为m电荷量为q的带电粒子以平行于极板的初速度v0射入长L板间距离为d的平行板电容器间,两板间电压为U,求射出时的侧移、偏转角和动能增量.

 

 

  解:分解为两个独立的分运动:平行极板的匀速运动(运动时间由此分运动决定)

,垂直极板的匀加速直线运动,
.偏角:
,得:
.穿越电场过程的动能增量是:ΔEK=qEy (注意,一般来说不等于qU),从例题可以得出结论有三:

 

  结论一、不同带电粒子从静止进入同一电场加速后再垂直进入同一偏转电场,射出时的偏转角度总和位移偏转量y是相同的,与粒子的qm无关。

 

  例1.如图所示,电子在电势差为U1的加速电场中由静止开始运动,然后射入电势差为U2的两块平行极板间的电场中,射入方向跟极板平行,整个装置处在真空中,重力可忽略,在满足电子能射出平行板区的条件下,下述四种情况中,一定能使电子的偏转角θ变大的是(    )

 

 

  A.U1变大、U2变大B.U1变小、U2变大

 

  C.U1变大、U2变小D.U1变小、U2变小

 

  解析:电子在加速电场中由动能定理得

,电子在偏转电场中有:
. 由以上各式得:
,可知要使θ增大必然U2变大,U1变小,故选B.答案:B

 

  结论二、粒子垂直进入电场偏转射出后,速度的反向延长线与初速度延长线的交点为粒子水平位移中点。(粒子好像是从中点直线射出!)

 

  例2.证明:在带电的平行金属板电容器中,只要带电粒子垂直电场方向射入(不一定在正中间),且能从电场中射出如图所示,则粒子射入速度v0的方向与射出速度vt的方向的交点O必定在板长L的中点.

 

 

  证明:粒子从偏转电场中射出时偏距

,粒子从偏转电场中射出时的偏向角
,作粒子速度的反向延长线,设交于O点,O点与电场边缘的距离为x,则
。可知,粒子从偏转电场中射出时,就好像是从极板间的
处沿直线射出似的,即证。

 

  结论三、粒子垂直飞入电场偏转射出时,速度偏转角正切值(

)等于位移偏转角正切值(
)的两倍(
)。

 

  例3.(2009山东)如图甲所示,建立Oxy坐标系,两平行极板P、Q垂直于y轴且关于x轴对称,极板长度和板间距均为l,第一四象限有磁场,方向垂直于Oxy平面向里。位于极板左侧的粒子源沿x轴间右连接发射质量为m、电量为+q、速度相同、重力不计的带电粒子在0~3t时间内两板间加上如图乙所示的电压(不考虑极边缘的影响)。已知t=0时刻进入两板间的带电粒子恰好在t0时,刻经极板边缘射入磁场。上述m、q、l、l0、B为已知量。(不考虑粒子间相互影响及返回板间的情况)(1)求电压U的大小。(2)求

时进入两板间的带电粒子在磁场中做圆周运动的半径。

 

 

  解析:(1)

时刻进入两极板的带电粒子在电场中做匀变速曲线运动,
时刻刚好从极板边缘射出,在y轴负方向偏移的距离为
,则有
,
,
联立以上三式,解得两极板间偏转电压为

 

 

  (2)

时刻进入两极板的带电粒子,前
时间在电场中偏转,后
时间两极板没有电场,带电粒子做匀速直线运动。带电粒子沿x轴方向的分速度大小为
,带电粒子离开电场时沿y轴负方向的分速度大小为
,带电粒子离开电场时的速度大小为
,设带电粒子离开电场进入磁场做匀速圆周运动的半径为R,则有
,联立上式解得

 

  点评:本题是高考真题,考查的是带电粒子在匀强电场、匀强磁场中的运动。

2011-
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