带电粒子在静电场中的偏转

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带电粒子在静电场中的有很多种运动模式。常见的场强有:单个带电粒子形成的场强(库仑力),平行板电容器形成的匀强电场,无规则的场强(用电场线来描述的)。本文主要研究的是带电粒子在匀强电场中的类平抛运动模式。

模型基本参量及图像

一质量为m,带电量为q的正粒子从两极板的中部以速度v0水平射入电压为U的竖直向下的匀强电场中。

如图所示,已知极板长度为L,极板间距离为d。存有两种运动模式,一种是粒子能够逃逸出电容,一种则落在电容器的下底板。

基本的物理量描述

带电粒子在静电场中的偏转

(1)初始条件:带电粒子有水平初速度v0;

(2)受力特点:带电粒子受到竖直向下的恒定的电场力F=Eq;加速度

a=带电粒子在静电场中的偏转

(3)运动特点:水平方向为匀速直线运动,竖直方向为初速度为零的匀加速直线运动。与平抛运动相似,只不过加速度不为g,我们称这样的运动为类平抛运动。

(4)运动时间:若带电粒子与极板不碰撞,在刚逃离电容器时,则运动时间为

带电粒子在静电场中的偏转

若带电粒子与极板碰撞,则运动时间可以从竖直方向求得

带电粒子在静电场中的偏转,故带电粒子在静电场中的偏转

几个特殊的物理量

(1)特征描述:侧移(能逃离电容器的y轴偏转量)

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(2)能量特点:电场力做正功

带电粒子在静电场中的偏转

电场力做多少正功,粒子动能增加多少,电势能就减少多少。

(3)重要结论:速度偏向角的正切:

带电粒子在静电场中的偏转

位移偏向角的正切:

带电粒子在静电场中的偏转

带电粒子在静电场中的偏转

即带电粒子垂直进入匀强电场,它离开电场时,就好象是从初速度方向的位移中点沿直线射出来的。

例题与结论

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.
带电粒子在静电场中的偏转
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)

带电粒子在静电场中的偏转

垂直极板的匀加速直线运动

带电粒子在静电场中的偏转,

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带电粒子在静电场中的偏转

偏角:

带电粒子在静电场中的偏转

得:

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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:

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( )


带电粒子在静电场中的偏转


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带电粒子在静电场中的偏转,

电子在偏转电场中有:带电粒子在静电场中的偏转 带电粒子在静电场中的偏转带电粒子在静电场中的偏转

由以上各式得:带电粒子在静电场中的偏转

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.


带电粒子在静电场中的偏转


证明:粒子从偏转电场中射出时偏距

带电粒子在静电场中的偏转

粒子从偏转电场中射出时的偏向角

带电粒子在静电场中的偏转

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

带电粒子在静电场中的偏转

可知,粒子从偏转电场中射出时,就好像是从极板间的带电粒子在静电场中的偏转处沿直线射出似的,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(带电粒子在静电场中的偏转)等于位移偏转角正切值(带电粒子在静电场中的偏转)的两倍(带电粒子在静电场中的偏转)。

 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)求带电粒子在静电场中的偏转时进入两板间的带电粒子在磁场中做圆周运动的半径。


带电粒子在静电场中的偏转

解析:(1)带电粒子在静电场中的偏转时刻进入两极板的带电粒子在电场中做匀变速曲线运动,带电粒子在静电场中的偏转时刻刚好从极板边缘射出,在y轴负方向偏移的距离为带电粒子在静电场中的偏转

则有带电粒子在静电场中的偏转,带电粒子在静电场中的偏转,带电粒子在静电场中的偏转联立以上三式,解得两极板间偏转电压为带电粒子在静电场中的偏转


带电粒子在静电场中的偏转

(2)带电粒子在静电场中的偏转时刻进入两极板的带电粒子,前带电粒子在静电场中的偏转时间在电场中偏转,后带电粒子在静电场中的偏转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

带电粒子在静电场中的偏转,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在静电场中的偏转,带电粒子离开电场时的速度大小为带电粒子在静电场中的偏转,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,

则有带电粒子在静电场中的偏转,

联立上式解得带电粒子在静电场中的偏转

本题是高考物理真题,考查的是带电粒子在匀强电场、匀强磁场中的运动。

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