高二物理带电荷量有正电荷和负电荷两种。电荷量是指电荷的多少,单位是库仑(C)。正电荷通常用正号+表示,负电荷通常用负号-表示。
此外,高二物理中常见的电荷类型还有电子。原子由带正电的原子核和带负电的电子组成。电子绕核旋转的轨道是不连续的,也就是通常所说的电子“分层”排列。所有这些电子的总数称为核外电子总数。
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题目:一个质子(带电量为+1.6 × 10^-19库)和一个电子(带电量为-1.6 × 10^-19库)分别从静止开始,经过相同电场加速后进入同一偏转电场,要使质子和电子分别打在同一位置的荧光屏上,求这个偏转电场的电压范围。
解析:
1. 质子和电子经过相同电场加速,根据动能定理可得:
电场力做的功等于动能的变化量:
W = (1/2)mv² - 0
电场力:F = qE
联立可得:
E = (2mW/q²) - 加速电场的电压
2. 质子和电子进入同一偏转电场后,垂直电场方向做匀加速运动,水平方向做匀速运动。设偏转电场的电压为U,质子和电子的偏转距离为y。根据牛顿第二定律和运动学公式可得:
垂直电场方向:a = qE/m = y'/t²
水平方向:v = l/t
联立可得:y = (q²l²)/(2U²m)²
根据题意,质子和电子分别打在同一位置的荧光屏上,所以有:y ≤ y'
3. 根据以上分析,可以得到偏转电场的电压范围为:
U ≥ (y'/y)² × U² = (y'/y) × U²
假设电子的质量为m,偏转距离为y,那么这个偏转电场的电压范围为:
U ≥ (y/y') × U' = yU'
其中y'为质子在偏转电场中的偏转距离,y为电子在偏转电场中的偏转距离。由于质子和电子的质量不同,所以这个电压范围也不同。为了使质子和电子分别打在同一位置的荧光屏上,我们需要求解这个电压范围。
假设加速电场的电压为U0,那么有:
U0 = (E/U')² × U' = E/U'
其中E为加速电场的电压。代入上式可得:
U = (y'/y) × U' = y × U0 = y × (q/m) × U0² = y × (q²/m²) × U²0 = (y/m) × (q²/m²) × U²0²
所以,如果想要使质子和电子分别打在同一位置的荧光屏上,那么偏转电场的电压范围为:
U ≥ (y'/y) × U' = (y'/m) × (q²/m²) × U²0 + U₀ ≤ (y'/m) × (q²/m²) × 2U₀ ≤ (y'/m) × (q²/m²) × 2(mv²/qU₀) = (y'/m) × (q²/m²) × 2(mv/qU₀) = (y'/m) × (q²/2mU₀) = (y'/m) × q²/(2mv) = (y'/m) × q²/(2(1.6 × 10^-19)) = 3.2 × 10^7 V。
所以,为了使质子和电子分别打在同一位置的荧光屏上,这个偏转电场的电压范围至少为3.2 × 10^7 V。