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学习
电容为C的平行板电容器两极板间距为d,极板水平且足够长,下极板接地,将电容器与开关S、电阻R1和R2连接成如图所示电路,a、b是两个输出端,S断开极板间充满垂直纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B。由质量为m、电荷量为q(q > 0)的带电粒子组成的粒子束以水平速度v0沿下极板边缘进入极板间区域,单位时间进入的粒子数为n。带电粒子不计重力且不与下极板接触,忽略极板边缘效应和带电粒子间相互作用。
(1)为使带电粒子能落在电容器上极板,求极板间距的最大值dm;
(2)满足(1)的前提下,求电容器所带电荷量的最大值Qm;
(3)已知R1 = 2R,R2 = R,闭合S,电容器重新达到稳定状态后,为使a、b端接入任意负载时进入极板间的带电粒子全部落在上极板,求R应满足的条件和此时a、b间输出功率的最大值。
【答案】(1)
(2)
(3),
【解析】
【小问1详解】
由题意可知带电粒子在两极板间做匀速圆周运动,洛伦兹力提供向心力有
为使带电粒子能落在电容器上极板,则有
联立可得
即最大值为
【小问2详解】
当电容器所带电荷量最大时,板间电势差最大,粒子束恰好不能到达上极板,将粒子入射速度分解为向右的两个速度,一个速度产生的洛伦兹力平衡电场力,做匀速直线运动;另一个速度提供洛伦兹力,做匀速圆周运动;即
其中
粒子以v2做匀速圆周运动,有
粒子恰好不到达上极板则有
联立各式可得
此时两极板所带电荷量最大为
【小问3详解】
根据题意可知当R1和R2两端的总电压不大于Um时电荷才能全部被吸收,闭合S,电容器重新达到稳定状态后,电流恒定,有
根据欧姆定律有
其中
,
联立解得
当ab间接入负载时,设ab的电流为Iab,由于总电流恒定,则R1的电流为
ab间的功率为
所以当时,Pab最大,最大值为