正确率40.0%电子$${、}$$质子$${、{α}}$$粒子由静止状态经相同电压加速后,垂直电场线进入同一匀强电场中,则()
D
A.最后离开电场时$${{α}}$$粒子偏角最大
B.最后离开电场时质子的动能最大
C.最后离开电场时质子的速率最大
D.电子通过匀强电场的时间最短
3、['带电粒子在电场中的直线运动', '动能定理的简单应用']正确率60.0%原来都静止的质子$${^{1}_{1}{H}}$$和$${{α}}$$粒子$${^{4}_{2}{H}{e}}$$,经过同一电压加速后,它们的速度大小之比为()
D
A.$${{1}{:}{1}}$$
B.$${{1}{:}{2}}$$
C.$${{1}{:}{4}}$$
D.$$\sqrt{2}, \ 1$$
首先解析第2题:
1. 粒子经电压 $$U$$ 加速后获得的动能由 $$qU = \frac{1}{2}mv^2$$ 决定,因此初速度 $$v = \sqrt{\frac{2qU}{m}}$$。
2. 进入匀强电场后,粒子在垂直电场方向做匀速直线运动,时间 $$t = \frac{L}{v}$$,其中 $$L$$ 为电场长度。
3. 在电场方向,粒子做匀加速运动,偏转距离 $$y = \frac{1}{2}at^2$$,加速度 $$a = \frac{qE}{m}$$。
4. 偏转角 $$\theta$$ 满足 $$\tan\theta = \frac{at}{v} = \frac{qEL}{mv^2}$$。将 $$v^2 = \frac{2qU}{m}$$ 代入,得 $$\tan\theta = \frac{EL}{2U}$$,与粒子种类无关,因此偏转角相同,选项A错误。
5. 动能增量 $$\Delta E_k = qEy$$,由于 $$y$$ 相同,电子电荷量最小,质子次之,$$α$$ 粒子最大,但初动能 $$qU$$ 也是 $$α$$ 粒子最大。总动能 $$E_k = qU + qEy$$,因此 $$α$$ 粒子动能最大,选项B错误。
6. 速率由 $$v_{\text{总}} = \sqrt{v^2 + (at)^2}$$ 决定。由于电子质量最小,初速度 $$v$$ 最大,且通过时间 $$t$$ 最短,因此电子速率最大,选项C错误,选项D正确。
综上,第2题正确答案为 D。
接着解析第3题:
1. 质子和 $$α$$ 粒子经电压 $$U$$ 加速后,动能分别为 $$q_pU$$ 和 $$q_{\alpha}U$$,其中 $$q_p = e$$,$$q_{\alpha} = 2e$$。
2. 由动能公式 $$\frac{1}{2}m_pv_p^2 = eU$$ 和 $$\frac{1}{2}m_{\alpha}v_{\alpha}^2 = 2eU$$,且 $$m_{\alpha} = 4m_p$$。
3. 解得 $$v_p = \sqrt{\frac{2eU}{m_p}}$$,$$v_{\alpha} = \sqrt{\frac{4eU}{4m_p}} = \sqrt{\frac{eU}{m_p}}$$。
4. 速度大小之比为 $$\frac{v_p}{v_{\alpha}} = \sqrt{2}:1$$。
综上,第3题正确答案为 D。