Question

兩平行金屬板長L=O．1m，板間距離d=l×10^-2m，從兩板左端正中間有帶電粒子持續飛入，如圖甲所示．粒子的電量q=10^-10c，質量m=10^-20kg，初速度方向平行于極板，大小為v=10⁷m/s，在兩極板上加一按如圖乙所示規律變化的電壓，不計帶電粒子 重力作用．求：
（1）帶電粒子如果能從金屬板右側飛出，粒子在電場中運動的時間是多少？
（2）試通過計算判斷在t=1.4×10^--8s和t=0.6×10^--8s時刻進入電場的粒子能否飛出．
（3）若有粒子恰好能從右側極板邊緣飛出，該粒子飛出時動能的增量△E_K=？

Answer 1

（1）粒子在電場中飛行的時間為t，則 t=

L

v

                                      
代入數據得：t=1×10^-8s
（2）粒子在電場中運動的加速度a=

qE

m

=

qU

md

=2×l0¹⁴m/s²．
當t=1.4×1O^-8s時刻進入電場，考慮豎直方向運動，前0.6×10^-8s無豎直方向位移，后0.4×10^-8s做勻加速運動．
   豎直方向位移為 y=

1

2

at²=0.16×10^-2m＜

1

2

d=0.5×10^-2m            
∴能飛出兩板間    
當t=-O．6×1O^-8s時刻進入電場，考慮豎直方向運動，前0.4×10^-8s勻加速運動，后O．6×1 O^-8s做勻速運動．
   豎直方向位移y′=s₁+s₂=

1

2

at²+at（T-t）=0.64 x10-2m＞

1

2

d=0.5×10^-2m
∴不能飛出兩板間                             
（3）若粒子恰能飛出兩板間，考慮兩種情況
a．豎直方向先靜止再勻加速．
  y=

1

2

at²        
  代入得 0.5×10^-2=

1

2

×2×10¹⁴t²
  得t=

2

2

×10^-8s                            
∴△E_k=

1

2

qU=1×10^-8J                           
b．豎直方向先勻加速再勻速
Sy=S₁+S₂=

1

2

at²+at（T-t）      
代入得 0.5×10^-2=

1

2

×2×10¹⁴t²+2×10¹⁴t（1×10^-8-t）
得t=（1-

2

2

）×10^-8s
∴S₁=

1

2

at²=（1.5-

2

）×10^-2m              
∴△E_k=EqS₁=

UqS1

d

=（3-2

2

）×10^一8=0.17×10^-8J
答：
（1）帶電粒子如果能從金屬板右側飛出，粒子在電場中運動的時間是
（2）通過計算判斷得知在t=1.4×10^-8s進入電場的粒子能飛出電場，t=0.6×10^-8s時刻進入電場的粒子不能飛出電場．
（3）若有粒子恰好能從右側極板邊緣飛出，該粒子飛出時動能的增量△E_K為0.17×10^-8J．