Question

12．如圖所示，在兩條平行的虛線內(nèi)存在著寬度為L、場強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場，在與右側(cè)虛線相距也為L處有一與電場平行的屏．現(xiàn)有一電荷量為+q、質(zhì)量為m的帶電粒子（重力不計），以垂直于電場線方向的初速度v₀射入電場中，v₀方向的延長線與屏的交點(diǎn)為O．試求：
（1）粒子從射入到打到屏上所用的時間；
（2）粒子剛射出電場時的速度方向與初速度方向間夾角的正切值；
（3）粒子打到屏上的點(diǎn)P到O點(diǎn)的距離．

Answer 1

分析 （1）帶電粒子垂直射入電場，只受電場力作用而做類平拋運(yùn)動，水平方向做勻速直線運(yùn)動，豎直方向做初速度為零的勻加速運(yùn)動，由L=v₀t求解時間t．
（2）根據(jù)牛頓第二定律求出加速度．研究豎直方向的運(yùn)動情況，由速度公式v_y=at求出粒子剛射出電場時豎直分速度，由tanα=$\frac{{v}_{y}}{{v}_{0}}$求出tanα．
（3）由位移公式y(tǒng)=$\frac{1}{2}$at²求出粒子剛射出電場時偏轉(zhuǎn)的距離y．帶電粒子離開電場后做勻速直線運(yùn)動，偏轉(zhuǎn)的距離Ltanα，兩個偏轉(zhuǎn)之和即為粒子打到屏上的點(diǎn)P到O點(diǎn)的距離Y．

解答 解：（1）粒子在垂直于電場線的方向上做勻速直線運(yùn)動，
則粒子打到熒光屏上的時間：t′=$\frac{2L}{{v}_{0}}$．
（2）設(shè)粒子射出電場時沿平行電場線方向的速度為v_y，
根據(jù)牛頓第二定律，粒子在電場中的加速度為：a=$\frac{qE}{m}$，
所以v_y=at=a$\frac{L}{{v}_{0}}$=$\frac{qEL}{m{v}_{0}}$，
粒子剛射出電場時的速度方向與初速度方向間夾角的正切值為：tanα=$\frac{{v}_{y}}{{v}_{0}}$=$\frac{qEL}{m{v}_{0}^{2}}$．
（3）設(shè)粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)距離為y，則y=$\frac{1}{2}$at²=$\frac{1}{2}$•$\frac{qEL}{m{v}_{0}}$t²
又Y=y+Ltanα，解得：Y=$\frac{3qE{L}^{2}}{2m{v}_{0}^{2}}$；
答：（1）粒子從射入到打到屏上所用的時間是$\frac{2L}{{v}_{0}}$；
（2）粒子剛射出電場時的速度方向與初速度方向間夾角的正切值tanα為$\frac{qEL}{m{v}_{0}^{2}}$；
（3）粒子打到屏上的點(diǎn)P到O點(diǎn)的距離Y為$\frac{3qE{L}^{2}}{2m{v}_{0}^{2}}$．

點(diǎn)評 本題中帶電粒子先做類平拋運(yùn)動后做勻速直線運(yùn)動，運(yùn)用運(yùn)動的分解研究類平拋運(yùn)動，根據(jù)幾何知識求解Y．