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帶電粒子在靜電場中的有很多種運動模式。常見的場強有:單個帶電粒子形成的場強(庫侖力),平行板電容器形成的勻強電場,無規則的場強(用電場線來描述的)。本文主要研究的是帶電粒子在勻強電場中的類平拋運動模式。
模型基本參量及圖像一質量為m,帶電量為q的正粒子從兩極板的中部以速度v0水平射入電壓為U的豎直向下的勻強電場中。
如圖所示,已知極板長度為L,極板間距離為d。存有兩種運動模式,一種是粒子能夠逃逸出電容,一種則落在電容器的下底板。
基本的物理量描述(1)初始條件:帶電粒子有水平初速度v0;
(2)受力特點:帶電粒子受到豎直向下的恒定的電場力F=Eq;加速度
a=
(3)運動特點:水平方向為勻速直線運動,豎直方向為初速度為零的勻加速直線運動。與平拋運動相似,只不過加速度不為g,我們稱這樣的運動為類平拋運動。
(4)運動時間:若帶電粒子與極板不碰撞,在剛逃離電容器時,則運動時間為
;
若帶電粒子與極板碰撞,則運動時間可以從豎直方向求得
,故
幾個特殊的物理量(1)特征描述:側移(能逃離電容器的y軸偏轉量)
(2)能量特點:電場力做正功
。
電場力做多少正功,粒子動能增加多少,電勢能就減少多少。
(3)重要結論:速度偏向角的正切:
,
位移偏向角的正切:
,
即,
即帶電粒子垂直進入勻強電場,它離開電場時,就好象是從初速度方向的位移中點沿直線射出來的。
例題與結論如圖所示,質量為m電荷量為q的帶電粒子以平行于極板的初速度v0射入長L板間距離為d的平行板電容器間,兩板間電壓為U,求射出時的側移、偏轉角和動能增量.
解:分解為兩個獨立的分運動:平行極板的勻速運動(運動時間由此分運動決定)
,
垂直極板的勻加速直線運動
,
,
.
偏角:
,
得:
.
穿越電場過程的動能增量是:ΔEK=qEy (注意,一般來說不等于qU),
從例題可以得出結論:
結論一、不同帶電粒子從靜止進入同一電場加速后再垂直進入同一偏轉電場,射出時的偏轉角度總和位移偏轉量y是相同的,與粒子的q、m無關。
例1.如圖所示,電子在電勢差為U1的加速電場中由靜止開始運動,然后射入電勢差為U2的兩塊平行極板間的電場中,射入方向跟極板平行,整個裝置處在真空中,重力可忽略,在滿足電子能射出平行板區的條件下,下述四種情況中,一定能使電子的偏轉角θ變大的是( )
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