等效法處理電場中的圓周運動

2022-11-28 22:57:05 字數 1492 閱讀 1588

例1 光滑絕緣的圓形軌道豎直放置,半徑為r,在其最低點a處放一質量為m的帶電小球,整個空間存在勻強電場,使小球受到電場力的大小為,方向水平向右,現給小球乙個水平向右的初速度,使小球沿軌道向上運動,若小球剛好能做完整的圓周運動,求.

例2如圖所示,半徑r = 0.8m的光滑絕緣導軌固定於豎直平面內,加上某一方向的勻強電場時,帶正電的小球沿軌道內側做圓周運動.圓心o與a點的連線與豎直成一角度θ,在a點時小球對軌道的壓力n = 120n,此時小球的動能最大.若小球的最大動能比最小動能多32j,且小球能夠到達軌道上的任意一點(不計空氣阻力).則:

(1)小球的最小動能是多少?

(2)小球受到重力和電場力的合力是多少?

(3)現小球在動能最小的位置突然撤去軌道,並保持其他量都不變,若小球在0.04s後的動能與它在a點時的動能相等,求小球的質量.

例3、如圖12所示為一真空示波管的示意圖,電子從燈絲k發出(初速度可忽略不計),經燈絲與a板間的電壓u1加速,從a板中心孔沿中心線ko射出,然後進入兩塊平行金屬板m、n形成的偏轉電場中(偏轉電場可視為勻強電場),電子進入m、n間電場時的速度與電場方向垂直,電子經過電場後打在螢光屏上的p點。 已知m、n兩板間的電壓為u2,兩板間的距離為d,板長為l,電子的質量為m,電荷量為e,不計電子受到的重力及它們之間的相互作用力。

(1)求電子穿過a板時速度的大小;

(2)求電子從偏轉電場射出時的側移量;

(3)若要使電子打在螢光屏上p點的上方,可採取哪些措施?

1、解析:小球同時受到重力和電場力作用,這時也可以認為小球處在等效重力場中.

小球受到的等效重力為

等效重力加速度

與豎直方向的夾角,如圖甲所示.所以b點為等效

重力場中軌道的最高點,由題意,小球剛好能做完整的圓周運動,小球運動到b點時的速度

在等效重力場中應用機械能守恆定律

將、分別代入上式,解得給小球的初速度為

2、解:(1)、(2)小球在電場和重力場的復合場中運動,因為小球在a點具有最大動能,所以復合場的方向由o指向a,在ao延長線與圓的交點b處小球具有最小動能ekb.設小球在復合場中所受的合力為f,則有;

即:帶電小球由a運動到b的過程中,重力和電場力的合力做功,根據動能定理有:

-f 2r = ekb-eka = -32

由此可得:f = 20n,ekb=8j

即小球的最小動能為8j,重力和電場力的合力為20n.

(3)帶電小球在b處時撤去軌道後,小球做類平拋運動,即在ba方向上做初速度為零的勻加速運動,在垂直於ba方向上做勻速運動.設小球的質量為m,則:

2r = t2

得:m = = 0.01kg

3解:(1)設電子經電壓ul加速後的速度為v0,由動能定理得

解得:(2)電子以速度v0進入偏轉電場後,垂直於電場方向做勻速直線運動,沿電場方向做初速度為零的勻加速直線運動,設偏轉電場的電場強度為e,電子在偏轉電場巾運動的時間為t,加速度為a,電子離開偏轉電場時的側移量為y,由牛頓第二定律和運動學公式得

,,。,

。(3)減小加速度電壓u1;增大偏轉電壓u2。

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