带电粒子在两种典型电场中运动模型的解决策略

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  带电粒子在电场中的运动,是电学知识和力学知识的结合点,基于此点,很容易命出将电场知识和力学中的牛顿第二定律、匀变速运动的规律、动能定理,动量定理、运动的合成与分解等主干知识相结合的情景新颖、便于考察学生能力的综合性试题.特别是在注重考察学科内知识综合能力的当今形势下,理解本考点知识,掌握处理涉及本知识的物理问题的思路和方法尤为重要.
  
  一、点电荷电场
  
  类型1:v0∥E(E为点电荷电场)
  
  例1 如图1所示,在点电荷+Q形成的电场中,一带电粒子+q 的初速度恰与电场线QP方向相同,则带电粒子+q在开始运动后,将()
  
  (A) 沿电场线QP线做加速运动
  
   (B) 沿电场线QP做加速度逐渐减小的减加速直线运动
  
   (C) 沿电场线QP做加速度逐渐减小的变加速直线运动
  
   (D) 偏离电场线QP做曲线运动
  
  解析:由点电荷形成的电场,离点电荷越远处场强越小,粒子所受的静电力越小,加速度越小.由于加速度方向与离子初速度方向一致,故而粒子做的是加速度逐渐减小的变加速直线运动.答案:(B)
  
  类型2: v0⊥E(E为点电荷电场)
  
  例2 已知氢原子中的质子和电子所带的电荷量都是e,电子质量为m,电子绕核做匀速圆周运动,轨道半径为r,试确定电子做圆周运动的v、ω、T .
  
  解析:电子绕核做匀速圆周运动的向心力由质子和电子之间的库仑力提供.根据牛顿第二定律的圆周运动规律有:
  
  ke2 r2=mv2 r,
  ke2 r2=mrω2,ke2 r2=m
  
  4π2 T2r.
  
  解得:v=ke2 mr,ω=
  
  ke2 mr3,T=
  4π2mr3 ke2
  
  答案:见解析.
  
  类型3:v0与E有夹角,(E为点电荷电场)
  
   例3 如图2所示,虚线a、b和c,是某静电场中的三个等势面,他们的电势分别为
  φa、φb和φc,且φa>φb>φc,一带正电离子射入电场中,其运动轨迹为实线KLMN所示,由图可知()
  
  (A) 离子从K到L的过程中,电场力做负功
  
  (B) 离子从L到M的过程中,电场力做负功
  
  (C) 离子从K到L的过程中,电势能增加
  
  (D) 离子从到L的M过程中,动能减少
  
  解析:由题目条件可知,a 、b 、c 、是孤立点电荷激发的电场中的三个等势面,因为运动粒子带正电,且沿K→L→M→N运动.所以受到的是静电斥力,可以判断场源电荷必为正电荷,电场力做功情况便明确下来.因为φK=φN<φM<φL,
  所以由K到L过程中电场力做负功,电势能增加,(A)(C)正确;由L到M过程中,电场力先做负功后做正功,电势能先增加后减小,动能先减小后增加,(B)(D))错误.答案:(A)(C).
  
  二、匀强电场
  
  类型1:v0∥E(E为匀强电场)
  
   例4 如图3所示,在匀强电场E中,一带电粒子-q在开始运动后将()
  
  (A) 沿电场线方向做匀加速直线运动
  
  (B) 沿电场线方向做变加速直线运动
  
  (C) 沿电场线方向做匀减速直线运动
  
  (D) 偏离电场线方向做曲线运动
  
  解析:带电粒子在匀强电场中受到恒定的静电力,且静电力方向和初速度方向相反,故粒子做的是匀减速直线运动.
  答案:(C)
  
  
  类型2: v0⊥E(E为匀强电场)
  
   例5 如图4所示,一束电子流在经U=5000 V的加速电压加速后,在距离两极板等距处垂直进入平行板间的匀强电场,若两极板间d=1.0 cm,板长L=5.0 cm,那么要使电子能从平行板间飞出,两个极板上最多能加多大的电压?
  
   解析:在加速电压一定时,偏转电压越大,电子在极板间的偏转距离就越大,偏转电压大到使电子刚好擦着极板的边缘飞出时达到最大,加速过程,由动能定理得:eU=1 2mv20进入偏转电场,电子在平行于板面的方向上做匀速运动,有L=v0t.在垂直于板面的方向做匀加速直线运动,有y=
  1 2at2=
  eU1L2 2mdv20=
  
  U1L2 4Ud.电子能飞出的条件为y≤1 2d.
  
  有以上条件可得U1≤
  
  2Ud2 L2=400 V,即要使电子能从平行板间飞出,所加电压最大为400 V.答案:400 V
  
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