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高二物理电荷在交变电场中运动试题答案及解析

2022-10-16 来源:易榕旅网
高二物理电荷在交变电场中运动试题答案及解析

1. 如图,导体棒ab在宽度为d的金属导轨上运动的速度随时间变化关系,导轨内匀强磁场的磁感强度为B,平行金属板中间固定一电子,在t=0.5s时释放电子,(电子重力不计,

一切电阻均不计)则

A.电子往复运动 (设不与板撞击)

B.往复运动周期为2秒(设不与板撞击) C.电子作直线运动,最终到上极板 D.电子作直线运动,最终到下极板

【答案】AB

【解析】导体棒切割磁感线发生电磁感应,由电磁感应规律知,产生的感应电动势为E=BLv=BLv0sin(t),感应电动势按正弦规律变化,其周期为T=

,平行金属板间电压

也按同样规律变化,由右手定则知0.5s~1s内上极板为正极,板间电场向下,电子受电场力向上,向上做加速运动;1~1.5s内电场反转向上,电子受电场力向下,电子向上做减速运动,根据对称性,1.5s末减至速度为零,1.5~2s内电子向下做加速运动,2~2.5s末电场又反转向下,电子受向上电场力后再次减速运动,至2.5s末减至速度为零,完成一个周期,以后重复这种往复运动,故选项AB正确,CD错误。

【考点】切割情况下电磁感应电动势 带电粒子在交变电场中的运动

2. 在平行板电容器A、B两板上加上如图所示的电压,开始B板的电势比A板高,这时两板中间原来静止的电子在电场作用下开始运动,设电子在运动中不与极板发生碰撞,则下述说法正确的

是 (不计电子重力)( )

A.电子先向A板运动,后向B板运动,再返回A板做周期性运动 B.电子一直向A板运动 C.电子一直向B板运动

D.电子先向B板运动,后向A板运动,再返回B板做周期性运动 【答案】C

【解析】在0-0.2s内,电子受到的电场力方向水平向左,向左做匀加速直线运动,0.2-0.4s内,电子所受的电场力水平向右,电子向左做匀减速直线运动,0.4s末速度减为零,然后重复之前的运动,可知电子一直向B板运动.故C正确,A、B、D错误. 【考点】本题考查带电粒子在电场中的运动。

3. 如图所示为匀强电场的电场强度E随时间t变化的图像.当t=0时,在此匀强电场中由静止释放一个带电粒子,设带电粒子只受电场力的作用,则下列说法中正确的是 ( )

A.带电粒子将始终向同一个方向运动 B.2s末带电粒子回到原出发点 C.3s末带电粒子的速度不为零 D.O~3s内,电场力做的总功为零

【答案】D

【解析】由牛顿第二定律可知,带电粒子在第1s内的加速度

,第2s内加速度

因此先加速1s再减小0.5s速度为零,接下来的0.5s将反向加速,v--t图象如图所示,

根据图像可知选项A错;由图像可知2s内的位移为负,故选项B错误;由图像可知第3s时的速度为零,故选项C错误;由动能定理可知0~3s内,,故选项D正确.

【考点】本题考查力和运动之间的关系,解答时根据力和运动之间的关系画出速度时间图像即可判断选项正确与否.

4. 如图,A、B是一对平行金属板,在两板间加有周期为T的交变电压U0,A板电势φA=0,B板电势φB随时间t变化规律如图.现有一电子从A板的小孔进入两板间的电场中,设电子的初速和重力的影响均可忽略,则( )

A.若电子是在t=0时刻进入的,它将一直向B板运动

B.若电子是在t=T/8时刻进入的,它可能时而向B板运动,时而向A板运动,最后打在B板上 C.若电子是在t=3T/8时刻进入的,它可能时而向B板运动,时而向A板运动,最后打在B板上 D.若电子是在t=T/2时刻进入的,它可能时而向B板运动,时而向A板运动 【答案】AB

【解析】A、电子在t=0时刻进入时,在一个周期内,前半个周期受到的电场力向上,向上做加速运动,后半个周期受到的电场力向下,继续向上做减速运动,T时刻速度为零,接着周而复始,所以电子一直向B板运动,一定会到达B板.故A正确. B、若电子是在速运动,在

时刻进入时,在一个周期内:在

,电子受到的电场力向上,向上做加

时刻速度为零,接着继续向

内,受到的电场力向下,继续向上做减速运动,

B板运动,周而复始,所以电子时而向B板运动,时而向A板运动,最后打在B板上.故B正确. C、若电子是在

时刻进入时,与在

时刻进入时情况相似,在运动一个周期时间内,时

而向B板运动,时而向A板运动,总的位移向左,最后穿过A板.故C错误; D、若电子是在

时刻进入时,在一个周期内:在

,电子受到的电场力向左,向左做加速

运动,在内,受到的电场力向右,继续向左做减速运动,时刻速度为零,接着周而复始,

所以电子一直向A板运动,一定不会到达B板.故D错误. 【考点】带电粒子交变电场中运动

5. (12分)如下图,加在极板A、B间的电压做周期性的变化,正向电压为

.周期为

,反向电压为

。在t=0时,极板B附近的一个电子,质量为m,电荷量为e,受电场力的作用由

静止开始运动。不计电子重力。

①若在时间内,电子不能到达极板A,求板间距d应满足的条件。 ②板间距d满足何种条件时,电子到达极板A时动能最大? 【答案】(1)

(2)

【解析】 (1)在一个周期时间内,电子先做匀加速运动,再匀减速运动到零,后反向运动。只要减速到零时还未到达A极板即可。所以

(2)只有电子一直匀加速运动到A极板,这样的运动电子动能才最大。即电子在前半个周期内到达A板,故有

【考点】考查了带电粒子在交变电场中的运动.电子在交变电场中的变加速运动问题是考察的热点,重要的是分析清楚电子的运动情景,同时这种问题运算量较大,过程较为复杂,给学生造成较大的难度

6. 如图(a)所示,两平行正对的金属板A、B间加有如图(b)所示的交变电压,一重力可忽略不计的带正电粒子被固定在两板的正中间P处。若在t0时刻释放该粒子,粒子会时而向A板运动,时而向B板运动,并最终打在A板上。则t0可能属于的时间段是 ( )

A.C.【答案】B

B. D.

【解析】若0<t0<,带正电粒子先加速向B板运动、再减速运动至零;然后再反方向加速运动、减速运动至零;如此反复运动,每次向右运动的距离大于向左运动的距离,最终打在B板上,所以A错误.若<t0< 上,所以B正确.若

,带正电粒子先加速向A板运动、再减速运动至零;然后再反方向加速

运动、减速运动至零;如此反复运动,每次向左运动的距离大于向右运动的距离,最终打在A板

<t0<T,带正电粒子先加速向A板运动、再减速运动至零;然后再反方

向加速运动、减速运动至零;如此反复运动,每次向左运动的距离小于向右运动的距离,最终打

在B板上,所以C错误.若T<t0<

,带正电粒子先加速向B板运动、再减速运动至零;然后

再反方向加速运动、减速运动至零;如此反复运动,每次向右运动的距离大于向左运动的距离,最终打在B板上,所以D错误.

【考点】带电粒子在匀强电场中的运动。

7. 如图所示,A、B两导体板平行放置,在t=0时将电子从A板附近由静止释放(电子的重力忽略不计).分别在A、B两板间加四种电压,它们的UAB-t图线如下列四图所示.其中可能使电子到不了B板的是( )

【答案】B

【解析】加A图所示电压,电子一直做匀加速直线运动,A错误;加B图所示电压电子先匀加速直线运动t0时间,后做匀减速直线运动t0时间,至速度为0,再反向匀加速直线运动t0时间,再匀减速直线运动t0时间,至速度为0,B正确;加C图所示电压电子先匀加速直线运动t0时间,后做匀减速直线运动t0时间至速度为0,再做匀加速直线运动,运动过程中方向不变,C错误;加D图所示电压电子先加速直线运动t0时间,后做减速直线运动t0时间至速度为0,再做加速直线运动,运动过程中方向不变,D错误。

【考点】带点粒子在交变电场中的运动,平行板电容器。

8. 如图所示,在平行板电容器A、B两板上加上如图所示的交变电压,开始时B板电势比A板高,这时两板中间原来静止的电子在电场力作用下开始运动,设A、B两板间的距离足够大,则下述说法中正确的是( )

A.电子先向A板运动,然后向B板运动,再返回A板做周期性来回运动 B.电子一直向A板运动 C.电子一直向B板运动

D.电子先向B板运动,然后向A板运动,再返回B板做周期性来回运动 【答案】C

【解析】根据图像可知,在0~0.2s内,电子所受电场力水平向左,故电子向左加速,在0.2s时速度达到最大,0.2~0.4s内受到向右的电场力,向左做匀减速运动,加速度大小与加速阶段的加速度大小相同,故可知在0.4s时,电子的速度减小到零,0.4s时刻再次向左加速,所以可知电子一直向B板运动,故只有C选项正确。 【考点】带电粒子在交变电场中的运动

9. 在两块金属板上加交变电压u=Umsin

t,当t=0时,板间有一个电子正好处于静止状态,下

面关于电子以后运动情况的判断哪些是正确的( ). A.t=T时,电子回到原出发点 B.电子始终向一个方向运动 C.t=D.t=

时,电子将有最大速度 时,电子的位移最大

【答案】BC

【解析】当t=0时,电子不受力,此时两极板间电压为零,此后电压开始增大,到最大,此过程中电子沿电场方向做加速度增大的加速运动,速度增大,

时电压达这段时间内,

两极板间电压减小,但电场方向不变,所以电子在这段时间内仍沿原方向做加速度减小的加速运动,速度继续增大.零.故在

后电场变向,电子开始减速,但运动方向不变,直至T时刻速度减为

时电子有最大速度.因电子的速度方向不变,即随时间的增长,位移增大.综上所

述,B、C正确,A、D错误. 故选:BC.

【考点】带电粒子在交变电场中的运动

点评:解答本题的关键主要是分析清楚电子在每一个时间段的受力的情况和运动的情况,注意受力的方向和运动方向之间的关系

10. 如图甲所示,相隔一定距离的竖直边界两侧为相同的匀强磁场区,磁场方向垂直纸面向里,在边界上固定两长为L的平行金属极板MN和PQ,两极板中心各有一小孔S1、S2,两极板间电压的变化规律如图乙所示,正反向电压的大小均为U0,周期为T0.在t=0时刻将一个质量为m、电荷量为-q(q>0)的粒子由S1静止释放,粒子在电场力的作用下向右运动,在t=

时刻通过S2

垂直于边界进入右侧磁场区.(不计粒子重力,不考虑极板外的电场)

(1)求粒子到达S2时的速度大小v和极板间距d.

(2)为使粒子不与极板相撞,求磁感应强度的大小应满足的条件.

(3)若已保证了粒子未与极板相撞,为使粒子在t=3T0时刻再次到达S2,且速度恰好为零,求该过程中粒子在磁场内运动的时间和磁感应强度的大小. 【答案】(1)d=

(2)B<

(3)B=

【解析】(1)粒子由S1至S2的过程,根据动能定理得qU0=mv2①· (1分) 由①式得v=由牛顿第二定律得q

② (1分)

=ma③ (1分)

④ (1分) ⑤ (1分)

⑥ (1分)

由运动学公式得d=a联立③④式得d=

(2)粒子在磁场中做匀速圆周运动的半径为R: qvB=m

要使粒子在磁场中运动时不与极板相撞,须满足2R>⑦ (1分) 联立②⑥⑦式得B<

⑧ (1分)

⑩ (1分)

(3)设粒子在两边界之间无场区向左匀速运动时间为t1: d=vt1得t1=根据运动学公式得d=t2⑪得t2=

若粒子再次到达S2时速度恰好为零,粒子回到极板间应做匀减速运动,设匀减速运动的时间为t2,

⑫ (1分)

-t1-t2⑬得t=

⑭ (1分)

设粒子在磁场中运动的时间为:t=3T0-

设粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动的周期为T=可知T=t⑯ (1分) 联立⑭⑮⑯式得B=

⑰· (1分)

⑮· (1分)

【考点】带电粒子在匀强磁场中的运动;粒子在交变电场中的运动

点评:本题考查了带电粒子在组合场中的运动,过程复杂,是一道难题,分析清楚粒子的运动过程,作出粒子的运动轨迹,是正确解题的关键.

11. 在两块平行金属板中间,有一个处于静止状态的带正电的粒子.若在两板间加交变电压u=Umsinωt,下列判断中正确的是( ) A.粒子的位移一定按正弦规律变化 B.粒子的速度一定按正弦规律变化 C.粒子的加速度一定按正弦规律变化 D.粒子的运动轨迹一定是一条正弦曲线

【答案】C

【解析】AB中涉及时间,所以不会按正弦规律变化,AB错误;平行板中间匀强磁场, 正电的粒子受电场力大小,

.所以

,由于电压为正弦电,所以

,带

.所以,粒子的加速度

一定按正弦规律变化,C正确;粒子在两极板间的运动轨迹是一条直线,D错误; 故选C

【考点】考查了粒子在交变电场中的运动

点评:关键是写出各个物理量的表达式,根据表达式分析

12. 如图所示,在长为2L、宽为L的区域内正好一半空间有场强为E、方向平行于短边的匀强电场,有一个质量为m,电量为e的电子,以平行于长边的速度v0从区域的左上角A点射入该区域,不计电子所受重力,要使这个电子能从区域的右下角的B点射出,求:

(1)无电场区域位于区域左侧一半内时,如图甲所示,电子的初速度应满足什么条件;

(2)无电场区域的左边界离区域左边的距离为x时,如图乙所示,电子的初速度又应满足什么条件。 【答案】⑴

(2)

【解析】⑴左侧一半无场,电子匀速运动.右侧一半类平抛运动的侧向位移为L,在电场中由电场力作用产生的加速度为

, (2分)

又, (2分)

(2分) 得

(2分)

(2)无电场的一半区域位于距左侧x处,则电子先做类平抛运动,接着做匀速直线运动,最后做类斜下抛运动.但水平方向上一直匀速运动在竖直方向上匀加速时间和匀速时间各为一半,即设竖直方向上匀速运动的速度为V,则有又电子恰从区域的右下角射出,故解得

. (1分)

,(1分) .(1分)

(3分) , (3分)

【考点】考查交变电场

点评:难度较大,处理粒子在交变电场中的运动问题,粒子进入另外一个电场中的速度大小以及方向是解决的关键,可灵活应用力的独立作用原理处理此类问题

13. 如图所示,在两极板中间有一静止的电子,在交变电压作用下电子的运动情况是(不计重力,t=0时,M板电势为正,板间距离足够长) ( )

A.一直向M板运动 B.一直向N板运动

C.先向M板运动,再一直向N板运动 D.在M、N间做周期性的来回运动

【答案】D

【解析】在第1s内,M板电势为正,故电场方向由M指向N,所以电子向M板加速运动,当1-2s内,根据运动的对称性,电子向M板做减速运动,2s末速度为零,在2-3s内,电子向N板做加速运动,当3-4s内时,电场方向由M指向N ,所以一电子向N板做减速运动,4s末速度为零,4-5s内,向M板做加速运动,当5-6s内电场方向由N指向M,所以电子向M板做减速运动,6s末速度为零,故电子在MN之间做周期性的来回运动,D正确, 【考点】考查了带电粒子在电场中的运动,

点评:做本题的关键是理解MN间的电场方向的变化,

14. 在平行金属板间加上图所示的电压,能使处于板中央原来静止的电子做往复运动的电压是( )

【答案】ABC

【解析】由电场力公式F=qE=qU/d,可知加速度变化图像与U-t变化图像相同,选项A中,在第一个四分之一周期粒子做正向的加速运动,随着U的减小,加速度减小,但速度一直是增大的,在四分之一周期时刻速度增大到最大,在第二个四分之一个周期粒子向正方向做减速直线运动,根据对称性可知在T/2时刻速度减小到零,在第三个四分之一个周期粒子向负方向做加速运动,由此可知A对;同理BC正确D错误;

15. 如图所示,在两平行金属板中央有一个静止的电子(不计重力),当两板间加上如图所示的交变

电压后,能使电子有可能做往返运动的电压是( )

【答案】ABC

【解析】所加电压可以使电子的在一个周期内的运动情况是:加速 减速,到达最大位移,反向加速,减速,回到原来位置,然后再反向加速,减速,到达反向最大位移,然后加速,减速,回到原来位置,所以ABC可以。

16. 如图所示为匀强电场的电场强度E随时间t变化的图象。当t=0时,在电场中由静止释放一个带电粒子,设带电粒子只受电场力作用,则下列说法中正确的是 ( )

A.带电粒子将始终向同一个方向运动 B.2s末带电粒子回到原出发点

C.带电粒子在0-3s内的初、末位置间的电势差为零 D.0-2s内,电场力的总冲量为零,电场力的总功不为零

【答案】C

【解析】设水平向右为正方向,设粒子带正电,设

0-1s内:电场水平向左,带电粒子受到的电场力水平向左,粒子将向左做匀加速直线运动

1-2s内:电场水平向右,粒子受到的电场力水平向右,粒子将向左先做匀减速直线运动

即在1-1.5s内往左匀减速,在1.5-2s内往右匀加速 1-1.5s内 1.5-2s内

2-3s内:电场水平向左,粒子受到的电场力水平向左,粒子将向右做匀减速直线运动

即3s时速度恰好减小为0,这1s内物体往右运动的位移为:

做出0-3s内的运动草图,可知3s时物体恰好回到出发点,所以AB错误C正确; 0-2s内电场力的冲量,D错误。

17. A、B两金属板平行放置,在t=0时将电子从A板附近由静止释放,则在A、B两板间加上下列哪个电压时,有可能使电子到不了B板 ( )

【答案】B

【解析】A.加A图电压,电子从A板开始向B板做匀加速直线运动一定能到达B板.故A错. B.加B图电压,开始向B板匀加速,再做相同大小加速度的匀减速,但时间是2倍,然后为相同加速度大小的匀加速,做出一个周期的v-t图,可知有可能到不了B板.故B对. C.加C图电压,由v-t图,电子一直向前运动,可知一定能到达.故C错.

D.加D图电压,可以知道电子在一个周期内速度的方向不变,一直向前运动,一定能到达能到达.故D错. 故选B.

18. 如图所示为匀强电场的电场强度E随时间t变化的图象。当t=0时,在电场中由静止释放一个带电粒子,设带电粒子只受电场力作用,则下列说法中正确的是 ( )

A.带电粒子将始终向同一个方向运动 B.2s末带电粒子回到原出发点

C.带电粒子在0-3s内的初、末位置间的电势差为零 D.0-2s内,电场力的总冲量为零,电场力的总功不为零

【答案】C

【解析】根据图像可知,粒子第一秒做匀加速运动,第二秒加速度加倍,所以开始做匀减速运动,后来反向做匀加速运动,第三秒做匀减速运动,3S末回到出发点,且速度为零。

带电粒子将做往返运动,A错,3s末带电粒子回到原出发点,B错。带电粒子在0-3s内初末速度都为零。故动能的改变量为零,即电场力做功为零所以初、末位置间的电势差为零,C对。0-2s内,电场力的总冲量不为零,电场力的总功不为零,D错

19. 在平行金属板间加上图所示的电压(板间距足够大),能使处于板中央原来静止的电子做往

复运动的电压是( )

【答案】ABC

【解析】电子在电场中的加速度大小:

,在

时间内,A板的电势高于B板,时刻速度最大;由

时间内,

电子受到向左的电场力,向左做加速度减小的加速运动,电子向左做加速度增加的减速运动,

时刻速度减为零;从

时间内,电子反向做加速度

减小的加速运动,时刻速度最大;由时间内,向右做加速度增大的减速运动,T时刻速

度减为零,回到原位置,然后电子不断重复,能做往复运动.同理可以分析得出:B、C中,电子也做往复运动,故ABC中电子做往复运动;在

时间内,电子向左做加速运动;

间内,电子向左减速运动,T时刻速度减为零;接着重复,电子单向直线运动,故D错误 【考点】考查了带电粒子在电场中的加速

20. 如图(甲)所示,两个平行金属板P、Q正对竖直放置,两板间加上如图(乙)所示的交变电压.t=0时,Q板比P板电势高U0,在两板的正中央M点有一电子在电场力作用下由静止开始运动(电子所受重力可忽略不计),已知电子在0-4t0时间内未与两板相碰.则电子速度方向向左且速度大小逐渐增

大的时间是( )

A.0B.t0C.2t0D.3t0【答案】C

【解析】电子带负电,故刚开始向电势高处即Q板运动,所以电子的运动以t0为单位分四个阶段,分别是:向右加速、向右减速、向左加速、向左减速,故电子速度方向向左且速度大小逐渐增大的时间是第三段时间即2t0

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