巧用v-t圖解一道「帶電粒子在電場中的運動」問題

2020-12-17 物理幫

題目:

如圖甲所示的平行板電容器,板間距為d,兩板所加電壓隨時間變化圖線如圖乙所示,t=0時刻,質量為m、帶電荷量為q的粒子以平行於極板的速度v0射入電容器,t=3T時刻恰好從下極板邊緣射出電容器,帶電粒子的重力不計。求:

(1)平行板電容器板長L;

(2)粒子射出電容器時偏轉的角度φ的正切值;

(3)粒子射出電容器時豎直偏轉的位移y。

分析與解答:

(1)帶電粒子在水平方向不受到力的作用,t=3T時間內,粒子在水平方向做勻速直線運動,所以板長

(2)有電壓時,帶電粒子在豎直方向受到電場力的作用,粒子在豎直方向做勻加速直線運動,

加速度 a=qE/m=qU/md。

粒子豎直方向加速時間為 t=2T.

(3)用公式法

電場方向粒子先勻加速,再勻速,然後又勻加速至出電容器,

用v-t圖法

在豎直方向上,帶電粒子先做初速度為零的勻加速直線運動,再做勻速直線運動,最後又做勻加速直線運動,至射出電容器。

t=T時,v=at=quT/md.

其豎直方向運動v-t圖如下所示:

而v-t圖下的「面積」表示位移。這個v-t圖下的「面積」就是下圖有紅圈的矩形的面積。

所以粒子射出電容器時豎直偏轉的位移

y=v×3T,即

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