Question

如圖所示，A、C、D為三個平行板電容器，MN為中心軸，D₁D₂與MN的距離相等，O為電容器C的中點，整個裝置處于真空中．A₁A₂足夠大且足夠近，距離為d₀=1mm，中間有磁感應強度B=9×10^-2T的勻強磁場．A₁與D₁相連，A₂與D₂相連并接地，C₁C₂加上電壓U₀=90V，側(cè)面有小孔S₁和S₂，D₁D₂的極板長均為L=10cm．今在O點源源不斷的加入初速度為零的中性粒子，粒子在O點處被特殊裝置剝離成2價正離子和電子，而不改變速度大�。�已知電子質(zhì)量為m=9×10^-31kg，該2價正離子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的2×10⁴倍，電子電量為e=1.6×10^-19C，．（忽略粒子重力）
（1）求電子通過孔S₂的速度大�。�
（2）若整個裝置達到穩(wěn)定狀態(tài)后，電子剛好能從D中飛出，求D₁D₂兩板間的距離為多少？

Answer 1

分析：（1）電子在電場中加速，可根據(jù)動能定理列式求解電子過孔S₂的速度大�。�
（2）電子從孔S₂射出，2價正離子從孔S₁射出，運用動能定理可求得2價正離子從孔S₁射出的速度．2價正離子在磁場中偏轉(zhuǎn)，打在A₁上，使得AD帶正電，當洛倫茲力與電場力平衡時，AD帶電達到穩(wěn)定，由平衡條件可求出A₁A₂穩(wěn)定電壓，D₁D₂建立勻強電場，電子進入D₁D₂間做類平拋運動，當電子剛好能從D中飛出時，偏轉(zhuǎn)距離y=

d

2

．根據(jù)牛頓第二定律和運動學公式可求出D₁D₂兩板間的距離d．

解答：解：（1）電子在電場中加速，由動能定理得：

1

2

eU0=

1

2

m

v

2 1

求得，電子速度：v1=

eU0 m

=4×106m/s
（2）2價正離子通過S₁時，有：

1

2

(2e)U0=

1

2

m′

v

2 2

得：

v

2

=

2eU0 m′

=

1

100

eU0 m

=4×104m/s
2價正離子在磁場中偏轉(zhuǎn)，半徑為 r=

m′v2

2eB

=2.5×10-2m＞

d0

2

使得AD帶正電，AD帶電穩(wěn)定時，有：2ev2B=2e

U

d0

則得 U=Bv₂d₀=3.6V
電子進入D₁D₂間做類平拋運動，當電子剛好能從D中飛出時，有：
 

d

2

=

1

2

at2
 a=

eU

md

 t=

L

v1

聯(lián)立解得：d=

L

v1

eU m

=0.02m=2cm
答：
（1）電子通過孔S₂的速度大小是4×10⁴m/s．
（2）若整個裝置達到穩(wěn)定狀態(tài)后，電子剛好能從D中飛出，D₁D₂兩板間的距離為2cm．

點評：本題是粒子加速器、速度選擇器和電偏轉(zhuǎn)的組合，分析兩個粒子的運動情況是解題的基礎(chǔ)，關(guān)鍵分析粒子運動所遵循的物理規(guī)律，并把握兩個粒子運動之間的聯(lián)系．