Question

【題目】如圖甲所示的裝置是由直線加速器改裝而成，由N個長度逐個增大的金屬圓筒沿水平軸線排列成一串，圖中代表性地畫了幾個圓筒，圓筒的兩底面中心開有小孔，一根絕緣光滑細(xì)管從中心小孔穿過，各筒相間地連接到頻率為f、最大電壓值為U0的電源的兩端，M、N兩點(diǎn)間的電勢差UMN隨時間變化如圖乙所示，現(xiàn)有一電量為+q、質(zhì)量為m、直徑略小于細(xì)管內(nèi)徑的小球，沿細(xì)管左端射入，并將在圓筒間的縫隙處受到電場力的作用而加速（設(shè)圓筒內(nèi)部沒有電場）。縫隙的寬度很小，小球穿過縫隙的時間可以不計(jì)。已知t=0時刻小球以v1速度進(jìn)入第一個圓筒左端，小球多次被加速后通過最右側(cè)圓筒，最后從A點(diǎn)水平向右飛出并以速度v2垂直于電場方向射入一個方向豎直向下、場強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場中，在B點(diǎn)速度方向與電場線成120°角。

求：（1）小球在電場中的加速度大小a及在B點(diǎn)的速度大小vB；

(2) 小球從A運(yùn)動到B的時間tAB

(3) A、B兩點(diǎn)間的電勢差UAB；

(4) 為使小球從A點(diǎn)射出獲得最大能量，各個圓筒的長度應(yīng)滿足什么條件？（用n的形式來表示）

Answer 1

【答案】(1)a= ，；(2) ；(3) ；(4) ，(n=1 ,2.3……)。

【解析】

(1)小球在電場中受電場力和重力作用

根據(jù)牛頓第二定律可得a＝

將小球在B點(diǎn)的速度分解可知

；

(2) )在B點(diǎn)設(shè)小球沿電場方向的速度大小為vy，

則有：vy＝v2tan30°

vy＝atAB

聯(lián)立解得：

(3) 小球豎直位移:

解得：

A、B兩點(diǎn)間的電勢差UAB=Ey

解得：；

(4) 為了使小球獲得最大能量，要求小球每次穿過縫隙時，前一個圓筒的電勢比后一個的電勢高，這就要求小球穿過每個圓筒的時間恰好等于交變電流的半個周期設(shè)第N個圓筒長為Ln，則有：

(n=1 ,2.3……)

解得：

所以 (n=1 ,2.3……)。