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试卷云
如图所示,粒子源S不断沿y轴正方向发射质量为m,带电量大小为q的带正电粒子。粒子首先进入偏转区,其中有匀强电场E,沿y轴方向区域宽度为d,沿x轴方向左右无边界。离开电场后,粒子进入沉积区,在沉积区中,粒子受到大小恒为f=2qE的摩擦阻力作用。粒子会在阻力作用下停止在沉积区中并被探测到,不计重力,建立坐标系xoy如图所示。
(1)若已知粒子在沉积区沿x轴方向位移为d,沿y轴方向位移为2d,求粒子离开电场时的速度大小;
(2)若离子源发射的粒子初速度为 ,求出带电粒子沉积处的坐标(x,y);
(3)承接(2),如果电场大小并不稳定,而是随时间在0和E之间波动,但由于粒子初速度较高,可以认为每个单独的粒子在运动过程中受到的电场是不变的匀强场。分析可以得出带电粒子在沉积区能够到达的位置形成了如图所示的图形OBCD,请求B、C、D三个点的坐标,并求BD段曲线的方程(用x=f(y)的形式表示)。
【答案】(1)
(2)
(3)
【知识点】用动能定理求解外力做功和初末速度、带电粒子在匀强电场中做类抛体运动的相关计算
【详解】(1)粒子在沉积区根据动能定理有
解得
(2)在电场区域中,粒子受匀强电场作用,为类平抛运动。在方向做匀速运动,设电场中运动时间为,则
解得
在方向做匀加速直线运动,加速度为
因此,当带电粒子离开电场时,拥有的方向速度为
水平方向位移为
离开电场时,拥有的速度大小为
在沉积区,粒子受恒定的阻力影响,设运动路程为,由功能定理有
解得
由于粒子速度方向不变,因此在方向和方向的位移分别是
综上所述,粒子沉积处的横纵坐标为
即,粒子沉积处的坐标为(,);
(3)根据(2)中所求,可以知道两点坐标
假设点坐标为,根据动能定理
解得
因此点坐标为。接着计算曲线段的方程,假设曲线上一点的纵坐标为,由于我们知道离开电场后,方向速度是,为阻力f沿y轴方向分力,根据匀加速运动公式
而根据力的合成公式
得到
摩擦力方向与运动方向相同,因此,在沉积区运动的方向位移为
刚进入沉积区的方向速度是
根据匀加速运动公式,在电场中的方向位移为
综上所述,段曲线方程为