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带电粒子在电场中:加速偏转示波管模型、结论比较

示波管模型把「加速 + 偏转」两段拼在一道题里,动能定理与类平抛各管一段;「相同动能的质子与 α 粒子谁的偏转大」这类比较题结论容易背反,得从公式推一遍才放心。

直线加速

  • 初速为零时,由动能定理:qU = ½mv²,得 v = √(2qU/m)
  • 加速后的速度只与加速电压 U 和荷质比 q/m 有关,与极板间距无关
  • 初速不为零:qU = ½mv² − ½mv₀²
  • 电场力做功与路径无关,只看始末位置的电势差

垂直偏转(类平抛)

方向运动性质公式
沿初速度方向(板长 L)匀速直线运动L = v₀t
垂直板方向初速为零的匀加速,a = qU/(md)y = ½at²
侧移量两式联立消去 ty = qUL²/(2mdv₀²)
偏转角tanθ = vy/v₀tanθ = qUL/(mdv₀²)

三种初条件下的偏转量比较

  • 以相同速度进入:y 与 q/m 成正比——荷质比大的偏转大(电子比质子偏得多)
  • 以相同动能进入:y 与电荷量 q 成正比——电量大的偏转大,与质量无关
  • 先经电压 U₁ 加速再进入偏转电场:y = UL²/(4dU₁),与粒子的 q、m 全都无关
  • 出电场后做匀速直线运动,像从极板中心沿直线射出

易错点:粒子能不能飞出极板,先看侧移

粒子恰好从极板边缘飞出的临界侧移是 d/2。先算实际侧移 y,与 d/2 比较:y ≤ d/2 才能飞出,y 大于 d/2 就打在极板上,后面的偏转角无从谈起。判断口诀:先判飞不飞得出,再谈偏转角。考题常故意给大电压,就等你算完 tanθ 才发现粒子根本没出去。

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