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- 2021-05-24 发布
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电容器 带电粒子在电场中的运动
1.如图1所示,一带电小球悬挂在竖直放置的平行板电容器内,当开关S闭合,小球静止时,悬线与竖直方向的夹角为θ,则( )
图1
A.当开关S断开时,若减小平行板间的距离,则夹角θ增大
B.当开关S断开时,若增大平行板间的距离,则夹角θ增大
C.当开关S闭合时,若减小平行板间的距离,则夹角θ增大
D.当开关S闭合时,若减小平行板间的距离,则夹角θ减小
答案 C
解析 带电小球在电容器中处于平衡时,由平衡条件有tan θ=,当开关S断开时,电容器两极板上的电荷量Q不变,由C=,U=,E=可知E=,故增大或减小两极板间的距离d,电容器两极板间的电场强度不变,θ不变,选项A、B错误;当开关S闭合时,因为两极板间的电压U不变,由E=可知,减小两极板间的距离d,E增大,θ变大,选项C正确,D错误.
2.(多选)将平行板电容器两极板之间的距离、电压、电场强度大小和极板所带的电荷量分别用d、U、E和Q表示.下列说法正确的是( )
A.保持U不变,将d变为原来的两倍,则E变为原来的一半
B.保持E不变,将d变为原来的一半,则U变为原来的两倍
C.保持d不变,将Q变为原来的两倍,则U变为原来的一半
D.保持d不变,将Q变为原来的一半,则E变为原来的一半
答案 AD
解析 由E=可知,若保持U不变,将d变为原来的两倍,则E变为原来的一半,A项正确;若保持E不变,将d变为原来的一半,则U变为原来的一半,B项错误;由C=,C=,E=,可得U=,E=,所以,保持d不变,若Q变为原来的两倍,则U变为原来的两倍,C项错误;保持d不变,若Q变为原来的一半,则E变为原来的一半,D项正确.
3.两平行金属板相距为d,电势差为U,一电子质量为m、电荷量为e,从O点沿垂直于极板的方向射出,最远到达A点,然后返回,如图2所示,OA=h,此电子具有的初动能是( )
图2
A. B.edUh
C. D.
答案 D
解析 由动能定理得:-e h=-Ek,所以Ek=.
4.(2015·新课标全国Ⅱ·14)如图3所示,两平行的带电金属板水平放置.若在两板中间a点从静止释放一带电微粒,微粒恰好保持静止状态,现将两板绕过a点的轴(垂直于纸面)逆时针旋转45°,再由a点从静止释放一同样的微粒,该微粒将( )
图3
A.保持静止状态
B.向左上方做匀加速运动
C.向正下方做匀加速运动
D.向左下方做匀加速运动
答案 D
解析 两平行金属板水平放置时,带电微粒静止,有mg=qE,现将两板绕过a点的轴(垂直于纸面)逆时针旋转45°后,两板间电场强度方向逆时针旋转45°,电场力方向也逆时针旋转45°,但大小不变,此时电场力和重力的合力大小恒定,方向指向左下方,故该微粒将向左下方做匀加速运动,选项D正确.
5.如图4所示,电容器极板间有一可移动的电介质板,介质与被测物体相连,电容器接入电路后,通过极板上物理量的变化可确定被测物体的位置,则下列说法中正确的是( )
图4
A.若电容器极板间的电压不变,x变大,电容器极板上带电荷量增加
B.若电容器极板上带电荷量不变,x变小,电容器极板间电压变大
C.若电容器极板间的电压不变,x变大,有电流流向电容器的正极板
D.若电容器极板间的电压不变,x变大,有电流流向电容器的负极板
答案 D
解析 若x变大,则由C=,可知电容器电容减小,在极板间的电压不变的情况下,由Q=CU知电容器带电荷量减少,此时带正电荷的极板得到电子,带负电荷的极板失去电子,所以有电流流向负极板,A、C错误,D正确.若电容器极板上带电荷量不变,x变小,则电容器电容增大,由U=可知,电容器极板间电压减小,B错误.
6.如图5所示,平行板电容器与电动势为E的直流电源(内阻不计)连接,下极板接地.一带电油滴位于电容器中的P点且恰好处于平衡状态.现将平行板电容器的上极板竖直向上移动一小段距离( )
图5
A.带电油滴将沿竖直方向向上运动
B.P点的电势将降低
C.带电油滴的电势能将减少
D.电容器的电容减小,极板带电荷量将增大
答案 B
解析 电容器和电源相连,则电容器两端的电压不变,两极板间距离增大,可知两极板间的电场强度E电减小,故油滴将向下运动,A错误;下极板接地,所以电势为零,设P点距离下极板的距离为L,则φP=E电L,L不变,E电减小,所以P点的电势将降低,B正确;油滴向下运动,带负电,故电场力做负功,电势能增大,C错误;根据公式C=可得,d增大,C减小,因U不变,根据公式C=可得,C减小,Q减小,故D错误.
7.(2017·安徽蚌埠四校联考)如图6所示,两极板与电源相连接,电子从负极板边缘沿垂直电场方向射入匀强电场,电子恰好从正极板边缘飞出,现保持负极板不动,正极板在竖直方向移动,并使电子入射速度变为原来的2倍,而电子仍从原位置射入,且仍从正极板边缘飞出,则两极板间距离变为原来的( )
图6
A.2倍 B.4倍 C. D.
答案 C
解析 电子从负极板边缘垂直电场方向射入匀强电场,做类平抛运动.假设电子的带电荷量为e,质量为m,初速度为v,极板的长度为L,极板的间距为d,电场强度为E.由于电子做类平抛运动,所以水平方向有:L=vt,竖直方向有:y=at2=··()2=d.因为E=,可得:d2=,若电子的速度变为原来的两倍,仍从正极板边缘飞出,则由上式可得两极板的间距d应变为原来的,故选C.
8.如图7所示,带正电的粒子以一定的初速度v0沿两板的中线进入水平放置的平行金属板内,恰好沿下板的边缘飞出,已知板长为L,板间的距离为d,板间电压为U,带电粒子的电荷量为+q,粒子通过平行金属板的时间为t(不计粒子的重力),则( )
图7
A.在前时间内,电场力对粒子做的功为
B.在后时间内,电场力对粒子做的功为
C.在粒子下落前和后的过程中,电场力做功之比为1∶2
D.在粒子下落前和后的过程中,电场力做功之比为2∶1
答案 B
解析 带正电的粒子以一定的初速度v0沿两板的中线进入水平放置的平行金属板内,恰好沿下板的边缘飞出,带电粒子所做的运动是类平抛运动.竖直方向上的分运动是初速度为零的匀加速直线运动,由运动学知识可知,前后两段相等时间内竖直方向上的位移之比为1∶3,电场力做功之比也为1∶3.又因为电场力做的总功为,所以在前时间内,电场力对粒子做的功为,A选项错;在后时间内,电场力对粒子做的功为,B选项对;在粒子下落前和后的过程中,电场力做功相等,故C、D选项错.
9.(2014·山东理综·18)如图8所示,场强大小为E、方向竖直向下的匀强电场中有一矩形区域abcd,水平边ab长为s,竖直边ad长为h.质量均为m、带电量分别为+q和-q的两粒子,由a、c两点先后沿ab和cd方向以速率v0进入矩形区域(两粒子不同时出现在电场中).不计重力,若两粒子轨迹恰好相切,则v0等于( )
图8
A. B.
C. D.
答案 B
解析 根据对称性,两粒子轨迹的切点位于矩形区域abcd的中心,则在水平方向有s=v0t,在竖直方向有h=··t2,解得v0=,故选项B正确,选项A、C、D错误.
10.如图9所示,一带电荷量为+q、质量为m的小物块处于一倾角为37°的光滑斜面上,当整个装置被置于一水平向右的匀强电场中时,小物块恰好静止.重力加速度取g,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8.求:
图9
(1)水平向右电场的电场强度;
(2)若将电场强度减小为原来的,物块的加速度是多大?
(3)电场强度变化后物块下滑距离L时的动能.
答案 (1) (2)0.3g (3)0.3mgL
解析 (1)小物块静止在斜面上,受重力、电场力和斜面支持力,受力分析如图所示,则有FNsin 37°=qE
FNcos 37°=mg
解得E=
(2)若电场强度减小为原来的,即E′=
由牛顿第二定律得mgsin 37°-qE′cos 37°=ma
解得a=0.3g
(3)电场强度变化后物块下滑距离L时,重力做正功,电场力做负功,支持力不做功,由动能定理得
mgLsin 37°-qE′Lcos 37°=Ek-0
解得Ek=0.3mgL.
11.反射式速调管是常用的微波器件之一,它利用电子团在电场中的振荡来产生微波,其振荡原理与下述过程类似.如图10所示,在虚线MN两侧分别存在着方向相反的两个匀强电场,一带电微粒从A点由静止开始,在电场力作用下沿直线在A、B两点间往返运动.已知电场强度的大小分别是E1=2.0×103 N/C和E2=4.0×103 N/C,方向如图所示.带电微粒质量m=1.0×10-20 kg、带电荷量q=-1.0×10-9 C,A点距虚线MN的距离d1=1.0 cm,不计带电微粒的重力,忽略相对论效应.求:
图10
(1)B点到虚线MN的距离d2;
(2)带电微粒从A点运动到B点所经历的时间t.
答案 (1)0.50 cm (2)1.5×10-8 s
解析 (1)带电微粒由A运动到B的过程中,由动能定理有|q|E1d1-|q|E2d2=0,E1d1=E2d2,
解得d2=0.50 cm.
(2)设微粒在虚线MN两侧的加速度大小分别为a1、a2,
由牛顿第二定律有
|q|E1=ma1,
|q|E2=ma2,
设微粒在虚线MN两侧运动的时间分别为t1、t2,由运动学公式有d1=a1t12,d2=a2t22.
又t=t1+t2,
代入数据,联立解得t=1.5×10-8 s.
12.(2017·湖北黄冈中学模拟)如图11甲所示,空间存在水平方向的大小不变、方向周期性变化的电场,其变化规律如图乙所示(取水平向右为正方向).一个质量为m、电荷量为+q的粒子(重力不计),开始处于图中的A点.在t=0时刻将该粒子由静止释放,经过时间t0,刚好运动到B点,且瞬时速度为零.已知电场强度大小为E0.试求:
图11
(1)电场变化的周期T应满足的条件;
(2)A、B之间的距离;
(3)若在t=时刻释放该粒子,则经过时间t0粒子的位移为多大?
答案 见解析
解析 (1)经过时间t0,瞬时速度为零,故时间t0为周期的整数倍,即:
t0=nT
解得:T=,n为正整数.
(2)作出v-t图象,如图甲所示.
最大速度为:vm=a·=·
v-t图象与时间轴包围的面积表示位移大小,为:
s=vmt0=,n为正整数.
(3)若在t=时刻释放该粒子,作出v-t图象,如图乙所示.
v-t图象与时间轴包围的面积表示位移大小,上方面积表示前进距离,下方的面积表示后退的距离:
故位移为:x=··()2·2n-··()2·2n=,n为正整数.