Question

如圖甲所示，A、B是一對(duì)平行放置的金屬板，中心各有一個(gè)小孔P、Q，PQ連線垂直金屬板，兩板間距為d．現(xiàn)從P點(diǎn)處連續(xù)不斷地有質(zhì)量為 m、帶電量為＋q的帶電粒子（重力不計(jì)），沿PQ方向放出，粒子的初速度可忽略不計(jì)．在t＝0時(shí)刻開(kāi)始在A、B間加上如圖乙所示交變電壓（A板電勢(shì)高于B板電勢(shì)時(shí)，電壓為正），其電壓大小為U、周期為T．帶電粒子在A、B間運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，粒子間相互作用力可忽略不計(jì)．

（1）進(jìn)入到金屬板之間的帶電粒子的加速度.

（2）如果只有在每個(gè)周期的0～時(shí)間內(nèi)放出的帶電粒子才能從小孔Q中射出，則上述物理量d、m、q、U、T之間應(yīng)滿足的關(guān)系．

（3）如果各物理量滿足（2）中的關(guān)系，求每個(gè)周期內(nèi)從小孔Q中有粒子射出的時(shí)間與周期T的比值.

Answer 1

解：（1）    ——2分

所以，    ——2分

（2）在0時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入A、B板間的粒子，在電場(chǎng)力的作用下，先向右做勻加速運(yùn)動(dòng)，在時(shí)間內(nèi)再向右做勻減速運(yùn)動(dòng)，且在0時(shí)間內(nèi)，越遲進(jìn)入A、B板間的粒子，其加速過(guò)程越短，減速運(yùn)動(dòng)過(guò)程也相應(yīng)地縮短，當(dāng)速度為零后，粒子會(huì)反向向左加速運(yùn)動(dòng)。由題意可知0時(shí)間內(nèi)放出的粒子進(jìn)入A、B板間，均能從Q孔射出，也就是說(shuō)在時(shí)刻進(jìn)入A、B板間的粒子是能射出Q孔的臨界狀態(tài)。——2分

粒子在時(shí)刻進(jìn)入A、B間電場(chǎng)時(shí)，先加速，后減速，由于粒子剛好離開(kāi)電場(chǎng)，說(shuō)明它離開(kāi)電場(chǎng)的速度為零，由于加速和減速的對(duì)稱性，故粒子的總位移為加速時(shí)位移的2倍，所以有

 ①       ——2分

即                           ——2分                   

（3）若情形（2）中的關(guān)系式①成立，則t＝0時(shí)刻進(jìn)入電場(chǎng)的粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為最短（因只有加速過(guò)程），設(shè)最短時(shí)間為t_x，則有

            ②                  ——1分

  在時(shí)刻進(jìn)入電場(chǎng)的粒子在的時(shí)刻射出電場(chǎng)，所以有粒子飛出電場(chǎng)的時(shí)間為

③                   ——1分

由②③式得         ④               ——2分