Question

帶電粒子在AB兩極板間靠近A板中央附近S處靜止釋放，在兩極板電壓中加速，從小孔P平行CD極板方向的速度從CD極板中央垂直進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場，B板靠近CD板的上邊緣如圖甲．在CD兩板間加如圖乙所示的交變電壓，設(shè)t₁=0時刻粒子剛好進(jìn)入CD極板，t₂=t時刻粒子恰好從D板的下邊緣飛入勻強(qiáng)磁場，勻強(qiáng)磁場的上邊界與CD極板的下邊緣在同一水平線上，磁場范圍足夠大，加速電場AB間的距離，偏轉(zhuǎn)電場CD間的距離及CD極板長均為d，圖象乙中t和U都為已知，帶電粒子重力不計(jì)，不考慮電場和磁場邊界影響．求：

（1）加速電壓U=？U=？
（2）帶電粒子進(jìn)入磁場時的速度？
（3）若帶電粒子在t₃時刻剛好從C極板的下邊緣進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場，并剛能返回到初始位置S處，t₃=？，t=？
（4）帶電粒子全程運(yùn)動的周期T=？

Answer 1

【答案】分析：（1）粒子加速后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場，恰好從偏轉(zhuǎn)電場下極板邊緣射出，由幾何關(guān)系得到速度與加速階段的速度關(guān)系，在加速電場和偏轉(zhuǎn)電場中分別應(yīng)用動能定理可得加速電場的電壓值
（2）由于粒子在偏轉(zhuǎn)電場中做類平拋運(yùn)動，平行于極板方向?yàn)閯蛩僦本�運(yùn)動，由運(yùn)動的合成與分解的知識可得粒子進(jìn)入磁場時的速度
（3）帶電粒子在勻強(qiáng)電場中做勻速圓周運(yùn)動，射入磁場時的速度大小和方向由（2）可知，故可得在磁場中的運(yùn)動時間，由運(yùn)動的對稱性可得返回到初始位置的時間
（4）根據(jù)運(yùn)動的對稱性，結(jié)合（3）的答案可求運(yùn)動全程的時間
解答：解：（1）設(shè)帶電粒子進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場時的速度為v，從偏轉(zhuǎn)電場中射出的速度為v，t₁=0時刻粒子剛好進(jìn)入CD極板，t₂=t時刻粒子恰好從D板的下邊緣飛入勻強(qiáng)磁場，
即由幾何關(guān)系可知：
v=①
在加速電場中，有動能定理得：
qU=②
在偏轉(zhuǎn)電場中，有qU=③
所以，U=U                                                                   
（2）由于粒子在偏轉(zhuǎn)電場中做類平拋運(yùn)動，帶電粒子進(jìn)入磁場時的速度大小為：
v==④
速度方向和磁場邊界成45°角．

（3）帶電粒子在磁場中，洛倫茲力提供向心力，故：
qvB=⑤
而，T=⑥
且在磁場中運(yùn)動時間為：t=⑦
由幾何關(guān)系得：R=⑧
由題意得：t=t₃-t⑨
由④⑤⑥⑦⑧⑨得，t₃=（1+）t
（4）帶電粒子全程運(yùn)動的周期為：T_總=2（）+2×+=6t
答：（1）加速電壓U=U
（2）帶電粒子進(jìn)入磁場時的速度，速度方向和磁場邊界成45°角
（3）若帶電粒子在t₃時刻剛好從C極板的下邊緣進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場，并剛能返回到初始位置S處，t₃=（1+）t
（4）運(yùn)動全程的時間6t+t
點(diǎn)評：關(guān)鍵是挖掘“恰好從D板的下邊緣飛入勻強(qiáng)磁場”的隱含條件，建立清晰的運(yùn)動情境，此外對運(yùn)算能力要求較高