如圖所示,粒子源O可以源源不斷地產生的初速度為零的正離子同位素,即這些正離子帶相同的電量q,質量卻不相同.所有...
問題詳情:
如圖所示,粒子源O可以源源不斷地產生的初速度為零的正離子同位素,即這些正離子帶相同的電量q,質量卻不相同.所有的正離子先被一個電壓為U0的勻強加速電場加速,再從兩板*垂直*入一個勻強偏轉電場,已知此偏轉電場兩板間距為d,板間電壓為6U0,偏轉後通過下極板上的小孔P離開電場.經過一段勻速直線運動後,正離子從Q點垂直於邊界AB進入一正方形的區域勻強磁場(磁感應強度為B,方向垂直紙面向內).
(1)當正離子從P點離開偏轉電場時,求P點和極板左端間的距離L以及此時的速度偏轉角φ.
(2)求質量為m的離子在磁場中做圓周運動的半徑R;
(3)若質量為4m的離子垂直打在磁場邊界AD的中點處,求能打在邊界AD上的正離子的質量範圍.
【回答】
帶電粒子在勻強磁場中的運動;牛頓第二定律;帶電粒子在勻強電場中的運動.
【分析】(1)離子在加速電場中加速,在偏轉電場中做類平拋運動,應用動能定律與類平拋運動規律可以求出距離與偏角.
(2)離子在磁場中做勻速圓周運動,洛倫茲力提供向心力,由牛頓第二定律可以求出離子的軌道半徑.
(3)作出離子的運動軌跡,由幾何知識求出離子的軌道半徑,然後求出離子的臨界質量,然後答題.
【解答】解:(1)在加速電場中,由動能定理得:qU0=mv02﹣0,
在偏轉電場中,離子最類平拋運動,L=v0t, =at2,
加速度:a=,解得,PM間的距離:L=d,
速度偏角正切值:tanφ=,解得:tanφ=,則φ=60°;
(2)在加速電場中,由動能定理得:qU0=mv02﹣0,v0=,
離子進入磁場時的速度為v,v==2v0,
離子在磁場中做勻速圓周運動,洛倫茲力提供向心力,
由牛頓第二定律得:qvB=m,解得:R=;
(3)由題意可知,質量為4m的正離子在磁場中運動軌跡的圓心恰好在A點,設此時的軌道半徑為R0;
臨界狀態1:質量為m1的正離子剛好打在A點,如圖所示:
由幾何知識可得:R1=R0,由R=可知: =,解得:m1=m;
臨界狀態2:質量為m2的正離子剛好打在D點,此時軌道半徑為R2,
由幾何知識得:R22=(2R0)2+(R2﹣R0)2,解得:R2=R0,則: =,m2=25m,
則能打在AD上的正離子質量範圍為:m~25m;
答:(1)P點和極板左端間的距離L為d,此時的速度偏轉角φ為60°.
(2)質量為m的離子在磁場中做圓周運動的半徑R為;
(3)能打在邊界AD上的正離子的質量範圍是m~25m.
知識點:帶電粒子在電場中的運動
題型:計算題