Question

如圖所示，正方形區(qū)域abcd邊長(zhǎng)L=8cm，內(nèi)有平行于ab方向指向BC邊的勻強(qiáng)電場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)E=3750V/m，一帶正電的粒子電量q=10^-10C，質(zhì)量m=10^-20kg，沿電場(chǎng)中心線RO飛入電場(chǎng)，初速度v₀=2×10⁶m/s，粒子飛出電場(chǎng)后經(jīng)過(guò)界面cd、PS間的無(wú)電場(chǎng)區(qū)域后，進(jìn)入固定在O點(diǎn)的點(diǎn)電荷Q形成的電場(chǎng)區(qū)域，一進(jìn)入該區(qū)域即開始做勻速圓周運(yùn)動(dòng)（設(shè)點(diǎn)電荷左側(cè)的電場(chǎng)分布以界面PS為界限，且不受PS影響）．已知cd、PS相距12cm，粒子穿過(guò)PS最后垂直打在放置于中心線上的熒光屏MN上．（靜電力常數(shù)k=9×10⁹Nm²/C²）試求：

（1）粒子穿過(guò)界面PS時(shí)偏離中心線OR的距離y；
（2）粒子穿過(guò)界面PS時(shí)的速度大小與方向；
（3）O點(diǎn)與PS面的距離x；
（4）點(diǎn)電荷Q的電性及電量大小．

Answer 1

分析：（1）帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)后，只受電場(chǎng)力，做類平拋運(yùn)動(dòng)，水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，豎直方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)．由牛頓第二定律求出加速度，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出粒子飛出電場(chǎng)時(shí)的側(cè)移y₁；由幾何知識(shí)求解粒子穿過(guò)界面PS時(shí)偏離中心線RO的距離y．
（2）由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和速度的合成求出粒子離開電場(chǎng)時(shí)的速度大小和方向，由于離開電場(chǎng)后粒子做勻速直線運(yùn)動(dòng)，即可得到粒子穿過(guò)界面PS時(shí)的速度大小與方向；
（3）由幾何知識(shí)求解O點(diǎn)與PS面的距離x；
（4）帶電粒子進(jìn)入界面PS后做圓周運(yùn)動(dòng)，最后垂直打在放置于中心線上的熒光屏bc上，根據(jù)運(yùn)動(dòng)情況即可畫出軌跡，由幾何知識(shí)求得軌跡的半徑，根據(jù)牛頓第二定律和向心力公式求解點(diǎn)電荷Q的電量大�。�

解答：解：（1）粒子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)，水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，豎直方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，則有
   水平方向：L=v₀t．
   豎直方向：y₁=

1

2

at2
  又qE=ma，
  則a=

qE

m

得y₁=

qEL2

2m v 2 0

代入解得，y₁=0.03m=3cm．
根據(jù)幾何知識(shí)得：y：y₁=（s+

L

2

）：

L

2

，
解得 y=4y₁=12 cm
（2）v_y=at=

qEL

mv0

=1.5×10⁶ m/s，v_x=v₀=2×10⁶ m/s
粒子離開電場(chǎng)時(shí)的速度大小為v=

v 2 x + v 2 y

=2.5×10⁶ m/s
粒子的速度偏向角的正切為tanθ=

vy

v0

=0.75，得θ=37°
由于離開電場(chǎng)后粒子做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則得粒子穿過(guò)界面PS時(shí)的速度大小為2.5×10⁶ m/s，方向與水平成37°角斜向下右下方．
（3）由幾何關(guān)系得 x=y tanθ=9cm
（4）帶電粒子帶正電，則知點(diǎn)電荷Q粒子帶負(fù)電．
粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為R=

y

cosθ

=15 cm
由

kQq

R2

=m

v2

R

        得Q=

mRv2

kq

=1.04×10^-8C 
答：（1）粒子穿過(guò)界面PS時(shí)偏離中心線OR的距離y是12cm；
（2）粒子穿過(guò)界面PS時(shí)的速度大小為2.5×10⁶ m/s，方向與水平成37°角斜向下右下方；
（3）O點(diǎn)與PS面的距離x是9cm；
（4）點(diǎn)電荷Q的電性是負(fù)電，電量大小為1.04×10^-8C．

點(diǎn)評(píng)：題是類平拋運(yùn)動(dòng)與勻速圓周運(yùn)動(dòng)的綜合，分析粒子的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況是基礎(chǔ)．難點(diǎn)是運(yùn)用幾何知識(shí)解出對(duì)應(yīng)的邊長(zhǎng)．