1、专题九带电粒子在电场中运动的综合问题课时作业(本栏目内容,在学生用书中以独立形式分册装订!)1.将如图所示的交变电压加在平行板电容器A、B两板上,开始B板电势比A板电势高,这时有一个原来静止的电子正处在两板的中间,它在电场力作用下开始运动,设A、B两极板间的距离足够大,下列说法正确的是()A电子一直向着A板运动B电子一直向着B板运动C电子先向A板运动,然后返回向B板运动,之后在A、B两板间做周期性往复运动D电子先向B板运动,然后返回向A板运动,之后在A、B两板间做周期性往复运动D2.(2020广东省韶关市调研)如图所示,在竖直向上的匀强电场中,一根不可伸长的轻质绝缘细绳,一端系着一个带电小球,
2、另一端固定于O点,小球在竖直平面内做匀速圆周运动,最高点为a,最低点为b。不计空气阻力,则 ()A小球带负电B电场力跟重力是一对平衡力C小球从a点运动到b点的过程中,电势能减小D运动过程中小球的机械能守恒B小球在竖直平面内做匀速圆周运动,受到重力、电场力和细绳的拉力,电场力与重力平衡,则知小球带正电,故A错误,B正确。小球在从a点运动到b点的过程中,电场力做负功,小球的电势能增大,故C错误。由于电场力做功,所以小球在运动过程中机械能不守恒,故D错误。3真空中某竖直平面内存在一水平向右的匀强电场,一质量为m的带电微粒恰好能沿如图所示虚线(与水平方向成角)由A向B做直线运动,已知重力加速度为g,微
3、粒的初速度为v0,则()A微粒一定带正电B微粒一定做匀速直线运动C可求出匀强电场的电场强度D可求出微粒运动的加速度D因微粒在重力和电场力作用下做直线运动,而重力竖直向下,可知电场力一定水平向左,微粒带负电,A错误;其合外力一定与速度反向,大小为F,即微粒一定做匀减速直线运动,加速度大小为a,B错误,D正确;电场力qE,但不知微粒的电荷量,所以无法求出电场强度,C错误。4(2020安徽省蚌埠市质检)如图甲为一对长度为L的平行金属板,在两板之间加上如图乙所示的电压。现沿两板的中轴线从左端向右端连续不断射入初速度为v0的相同带电粒子(重力不计),且所有粒子均能从平行金属板的右端飞出,若粒子在两板之间
4、的运动时间均为T,则粒子最大偏转位移与最小偏转位移的大小之比是()A11 B.21C31 D.41C设偏转电场电压不为零时,粒子在偏转电场中的加速度为a若粒子在tnT时刻进入偏转电场,则竖直方向上先加速后匀速然后飞出偏转电场,此时粒子偏转位移最大,ymaxa2aaT2若粒子在tnT时刻进入偏转电场,则竖直方向上先静止后加速然后飞出偏转电场,此时粒子偏转位移最小,ymin0a2aT2则粒子最大偏转位移与最小偏转位移的大小之比是31,故C项正确。5.(多选)如图所示,在真空中倾斜平行放置着两块带有等量异号电荷的金属板A、B,一个电荷量q1.41104 C、质量m1 g的带电小球自A板上的孔P以大小
5、为0.1 m/s的水平速度v0飞入两板之间的电场,经0.02 s后又回到P点,其间未与B板相碰,g取10 m/s2,则()A板间电场强度大小为100 V/mB板间电场强度大小为141 V/mC板与水平方向的夹角30D板与水平方向的夹角45AD对带电小球进行受力分析,如图所示,小球的加速度a m/s210 m/s2,根据几何关系得tan 1,故45,F电mgqE,解得E100 V/m,故A、D正确。6.(2020安徽合肥模拟)如图所示,在竖直平面内固定的圆形绝缘轨道的圆心为O,半径为r,内壁光滑,A、B两点分别是圆轨道的最低点和最高点。该区间存在方向水平向右的匀强电场,一质量为m、带负电的小球在
6、轨道内侧做完整的圆周运动(电荷量不变),经过C点时速度最大,O、C连线与竖直方向的夹角60,重力加速度为g。(1)求小球所受的电场力大小;(2)求小球在A点的速度v0为多大时,小球经过B点时对圆轨道的压力最小。解析:(1)小球在C点时速度最大,则电场力与重力的合力沿DC方向,所以小球受到的电场力的大小Fmgtan 60mg。(2)要使小球经过B点时对圆轨道的压力最小,则必须使小球经过D点时的速度最小,即在D点小球对圆轨道的压力恰好为零,有m,解得v。在小球从圆轨道上的D点运动到A点的过程中,有mgr(1cos 60)Frsin 60mvmv2解得v02。答案:(1)mg(2)27.(多选)如图
7、所示,两个带等量正电荷的点电荷分别位于x轴上的P、Q两点,其位置关于坐标原点O对称,圆弧曲线是一个以O点为圆心的半圆,c点为半圆与y轴的交点,a、b两点为一条平行于x轴的直线与半圆的交点下列说法中正确的是()Aa、b两点的电势相同Ba、b两点的场强相同C将一个正电荷q沿着圆弧从a点经c点移到b点,其电势能先增大后减小D将一个正电荷q放在半圆上的任意一点,两点电荷对q的作用力大小分别是F1、F2,则为一定值AD根据等量同种点电荷产生的电场特点可知,a、b两点的电势相等,A正确,a、b两点的场强大小相等,但方向不同,B错误;正电荷从a点经c点移到b点,电势先降低后升高,由Epq得正电荷的电势能先减
8、小后增大,C错误;由库仑定律和几何关系得,D正确。8.(2020启东中学联考)如图所示,在水平向右的匀强电场中有一绝缘斜面,斜面上有一带电金属块沿斜面滑下,已知在金属块滑下的过程中动能增加了12 J,金属块克服摩擦力做功8 J,重力做功24 J。下列说法中正确的是()A金属块带负电荷B金属块克服电场力做功8 JC金属块的电势能减少4 JD金属块的机械能减少12 JD金属块滑下的过程中动能增加了12 J,由动能定理知合外力做功12 J,其中包括重力、摩擦力和电场力做功,摩擦力做功Wf8 J,重力做功WG24 J,所以可得电场力做功WF4 J,电场力做负功。金属块带正电,电势能增加了4 J,A、B
9、、C错误;由功能关系可知,机械能的变化EWfWF12 J,即机械能减少12 J,D正确。9如图所示,在光滑绝缘水平面上有两个带电小球A、B,质量分别为3m和m,小球A带正电q,小球B带负电2q,开始时两小球相距x0,小球A有水平向右的初速度v0,小球B的初速度为零,取初始状态下两小球构成的系统的电势能为零。(1)试证明当两小球的速度相同时系统的电势能最大;(2)求出该电势能的最大值。解析:(1)由于两小球构成的系统所受合外力为零,设某状态下两小球的速度分别为vA和vB,由动量守恒定律得3mv03mvAmvB系统的动能减小量Ek3mv3mvmv由于系统运动的过程中只有电场力做功,所以系统的动能与
10、电势能之和守恒,考虑到系统初状态下的电势能为零,故系统在该状态下的电势能EpEk3mv3mvmv联立得Ep6mv9mv0vA3mv当vAv0时,系统的电势能取得最大值,得vAvBv0即当两小球速度相同时,系统的电势能最大。(2)最大值Epmaxmv。答案:(1)略(2)mv10如图甲所示,一对平行金属板M、N长为L,相距为d,O1O为中轴线,两板间为匀强电场,忽略两极板外的电场。当两板间加电压UMNU0时,某一带负电的粒子从O1点以速度v0沿O1O方向射入电场,粒子恰好打在上极板M的中点,粒子重力忽略不计。(1)求带电粒子的比荷;(2)若M、N间加如图乙所示的交变电压,其周期T,从t0开始,前
11、时间内UMN2U,后时间内UMNU,大量的上述粒子仍然以速度v0沿O1O方向持续射入电场,最终所有粒子恰好能全部离开电场而不打在极板上,求U的值。解析:(1)设粒子经过时间t0打在M板中点沿极板方向有v0t0垂直极板方向有 t解得。(2)粒子通过两板间的时间tT从t0时刻开始,粒子在两板间运动时,每个电压变化周期的前三分之一时间内的加速度大小a1,在每个电压变化周期的后三分之二时间内的加速度大小a2不同时刻从O1点进入电场的粒子沿电场方向的速度vy随时间t变化的关系如图所示。所有粒子恰好能全部离开电场而不打在极板上,可以确定在tnT(n0,1,2,)和tnTT(n0,1,2,)时刻进入电场的粒子恰好分别从上、下极板右侧边缘飞出。它们在电场方向偏转的距离最大,则,T解得U。答案:(1)(2)