带电粒子在电场中的运动

发布 2022-07-03 23:53:28 阅读 3580

(一)带电粒子的加速

1.运动状态分析。

带电粒子沿与电场线平行的方向进入匀强电场,受到的电场力与运动方向在同一直线上,做加速(或减速)直线运动。

2.用功能观点分析。

粒子动能的变化量等于电场力做的功。

1)若粒子的初速度为零,则。

2)若粒子的初速度不为零,则。

3.用牛顿运动定律和运动学公式分析:带电粒子平行电场线方向进入匀强电场,则带电粒子做匀变速直线运动,可由电场力求得加速度进而求出末速度、位移或时间。

说明:1)不管是匀强电场还是非匀强电场加速带电粒子w=qu都适应,而w=qed,只适应于匀强电场。

2)对于直线加速,实质上是电势能转化为动能,解决的思路是列动能定理的方程(能量观点)来求解。

例1:如图8-1所示,带电粒子在电场中的加速:在真空中有一对平行金属板,两板间加以电压u,两板间有一个带正电荷q的带电粒子,它在电场力的作用下,由静止开始从正极板向负极板运动,到达负极板时的速度有多大?

(不考虑带电粒子的重力)

例2:下列粒子从初速度为零的状态经过加速电压为u的电场之后,哪种粒子的速度最大?

a)a粒子 (b)氚核 (c)质子 (d)钠离子。

例3:如图8-2所示,真空中相距d=5 cm的两块平行金属板a、b与电源连接(图中未画出),其中b板接地(电势为零),a板电势变化的规律如图8-3所示。将一个质量m=2.

0×10-23 kg,电量q=+1.6×10-1c的带电粒子从紧临b板处释放,不计重力。求:

1)在t=0时刻释放该带电粒子,释放瞬间粒子加速度的大小;

2)若a板电势变化周期t=1.0×10-5 s,在t=0时将带电粒子从紧临b板处无初速释放,粒子到达a板时动量的大小;

3)a板电势变化频率多大时,在t=到t=时间内从紧临b板处无初速释放该带电粒子,粒子不能到达a板。

二)带电粒子的偏转(限于匀强电场)

1.运动状态分析:带电粒子以速度v0垂直电场线方向飞入匀强电场时,受到恒定的与初速度方向成900角的电场力作用而做匀变速曲线运动。

2.偏转问题的分析处理方法:类似平抛运动的分析处理,应用运动的合成和分解知识分析处理。

1)垂直电场方向的分运动为匀速直线运动:

2)平行于电场方向是初速为零的匀加速运动:

经时间t的偏转位移:

粒子在t时刻的速度:

时间相等是两个分运动联系桥梁。

偏转角:tgφ=

例4:如图8-4所示,一束带电粒子(不计重力),垂直电场线方向进入偏转电场,试讨论在以下情况下,粒子应具备什么条件才能得到相同的偏转距离y和偏转角度φ(u、d、l保持不变)。

1)进入偏转电场的速度相同;

2)进入偏转电场的动能相同;

3)进入偏转电场的动量相同;

4)先由同一加速电场加速后,再进入偏转电场。

三)先加速后偏转。

若带电粒子先经加速电场(电压u0加)加速,又进入偏转电场(电压u),射出偏转电场时的侧移。

y=偏转角:tgφ==

带电粒子的侧移量和偏转角都与质量m、带电量q无关。

(四)示波管原理。

1.构造及功能。

如图8-5所示。

1)电子枪:发射并加速电子.

2)偏转电极yy'使电子束竖直偏转(加信号电压)

偏转电极xx'使电子束水平偏转(加扫描电压)

3)荧光屏.

例5:如图8-6所示,是一个示波管工作原理图,电子经加速以后以速度v0垂直进入偏转电场,离开电场时偏转量是h,两平行板间的距离为d,电势差为u,板长为l.每单位电压引起的偏移量(h/u)叫做示波管的灵敏度,为了提高灵敏度,可采用下列哪些办法。

增大两板间的电势差u

尽可能使板长l做得短些。

尽可能使两板间距离d减小些。

使电子入射速度v0大些

五)根据运动轨迹分析有关问题

该种类型的题目分析方法是:先画出入射点轨迹的切线,即画出初速度v0的方向,再根据轨迹的弯曲方向,确定电场力的方向,进而利用力学分析方法来分析其它有关的问题。

例6:在图8-7甲中,虚线表示真空里一点电荷q的电场中的两个等势面,实线表示一个带负电q的粒子运动的路径,不考虑粒子的重力,请判定。

1)q是什么电荷?

2)a三点电势的大小关系;

3)a三点场强的大小关系;

4)该粒子在abc三点动能的大小关系。

例7: 在图8-8中a、b和c表示点电荷a的电场中的三个等势面,它们的电势分别为u、u、u。一带电粒子从等势面a上某处由静止释放后,仅受电场力作用而运动,已知它经过等势面b时的速率为v,则它经过等势面c的速率为。

六)考虑受重力或其它恒力作用时的带电物体的运动问题。

若带电微粒除受电场力作用外,还受到重力或其它恒力作用,同样要分解成两个不同方向的简单的直线运动来处理。

例8:质量m=0.1g,带电荷量q=-10-7c的带电微粒以v0=10m/s的速度从水平放置的平行金属板a、b的**飞入板间,如图8-9所示,已知板长l=1.

0m,板间距离d=0.06m,当uab=103伏时,带电粒子恰好沿直线穿过板间,则ab间所加电压在什么范围内带电粒子能从板间飞出。

例9:如图8-10所示,水平放置的a、b两平行板相距h,有一质量为m,带电量为+q的小球在b板之下h处以v0初速度竖直向上进入两板间,欲使小球恰好打到a处,试讨论a、b板间的电势差是多少?

七)创新思维问题。

例12:(2003上海)为研究静电除尘,有人设计了一个盒状容器,容器侧面是绝缘的透明有机玻璃,它的上下底面是面积a=0.04m2的金属板,间距l=0.

05m,当连接到u=2500v的高压电源正负两极时,能在两金属板间产生一个匀强电场,如图8-13所示。现把一定量均匀分布的烟尘颗粒密闭在容器内,每立方米有烟尘颗粒1013个,假设这些颗粒都处于静止状态,每个颗粒带电量为q=+1.0×10-17c,质量为m=2.

0×10-15kg,不考虑烟尘颗粒之间的相互作用和空气阻力,并忽略烟尘颗粒所受重力。求合上电键后:

1)经过多少时间烟尘颗粒可以被全部吸收?

2)除尘过程中电场对烟尘颗粒共做了多少功?

带电粒子在电场中的运动

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