问题 问答题

如图甲所示,A和B是长为L、间距为d的平行金属板,靶MN垂直固定在它们的右端.在A、B板上加上方形波电压,如图乙所示.电压的正向值为U0,反向值为

UO
2
,周期为T.现有质量为m、带电量为+q的粒子连续从AB的中点O以平行于金属板的方向射入.设所有粒子都能穿过电场打到靶上,而且每个粒子在AB间的飞行时间均为T,不计粒子重力的影响.试问:

(1)粒子射入平行金属板时的速度多大?

(2)t=

T
2
时刻入射的粒子打到靶上的位置距靶中心点O’多远?

(3)t=

T
2
时刻入射的粒子打到靶上时动能多大?

答案

(1)粒子在水平方向粒子作匀速直线运动,则有:v0=

L
T

(2)在竖直方向,从

T
2
~T时间内,粒子向上作初速为零的匀加速运动,有

  a=

q
U0
2
md
=
qU0
2md

则粒子竖直方向上的位移 s1=

1
2
a(
T
2
)2=
qU0T2
16md

粒子在T~

3
2
T时间内,由于此时的加速度大小a′=2a,所以粒子先向上减速后向下加速,此阶段竖直方向的位移s2=0.

综上所述,有竖直方向上总位移  s=s1+s2=

qU0T2
16md

(3)在竖直方向,从

T
2
~T时间内,有

  vy1=a•

T
2
=
qU0T
4md

T
2
~T时间内,粒子以加速度a′=2a向上作类竖直上抛运动,有

  vy2=vy1-a′•

T
2
=
qU0T
4md
-
qU0
md
T
2
=-
qU0T
4md

带电粒子在水平方向一直作匀速直线运动,所以带电粒子穿过电场后打到靶上的动能为

 Ek=

1
2
m(
v20
+
v2y2
)=
1
2
m(
L2
T2
+
q2
U20
T2
16m2d2
)
=
mL2
2T2
+
q2
U20
T2
32md2
=
16m2d2L2+q2
U20
T4
32md2T2

答:

(1)粒子射入平行金属板时的速度为

L
T

(2)t=

T
2
时刻入射的粒子打到靶上的位置距靶中心点O′是
qU0T2
16md

(3)t=

T
2
时刻入射的粒子打到靶上时动能为
16m2d2L2+q2
U20
T4
32md2T2

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