题目内容
如图1所示，M、N为竖直放置的平行金属板，两板间所加电压为U0，S1、S2为板上正对的小孔．金属板P和Q水平放置在N板右侧，关于小孔S1、S2所在直线对称，两板的长度和两板间的距离均为l；距金属板P和Q右边缘l处有一荧光屏，荧光屏垂直于金属板P和Q；取屏上与S1、S2共线的O点为原点，向上为正方向建立x轴．M板左侧电子枪发射出的电子经小孔S1进入M、N两板间．电子的质量为m，电荷量为e，初速度可以忽略．不计电子重力和电子之间的相互作用．
（1）求电子到达小孔S2时的速度大小v；
（2）若板P、Q间只存在垂直于纸面向外的匀强磁场，电子刚好经过P板的右边缘后，打在荧光屏上．求磁场的磁感应强度大小B和电子打在荧光屏上的位置坐标x；
（3）若金属板P和Q间只存在电场，P、Q两板间电压u随时间t的变化关系如图2所示，单位时间内从小孔S1进入的电子个数为N．电子打在荧光屏上形成一条亮线．忽略电场变化产生的磁场；可以认为每个电子在板P和Q间运动过程中，两板间的电压恒定．
a．试分析在一个周期（即2t0时间）内单位长度亮线上的电子个数是否相同．
b．若在一个周期内单位长度亮线上的电子个数相同，求2t0时间内打到单位长度亮线上的电子个数n；若不相同，试通过计算说明电子在荧光屏上的分布规律．
（1）求电子到达小孔S2时的速度大小v；
（2）若板P、Q间只存在垂直于纸面向外的匀强磁场，电子刚好经过P板的右边缘后，打在荧光屏上．求磁场的磁感应强度大小B和电子打在荧光屏上的位置坐标x；
（3）若金属板P和Q间只存在电场，P、Q两板间电压u随时间t的变化关系如图2所示，单位时间内从小孔S1进入的电子个数为N．电子打在荧光屏上形成一条亮线．忽略电场变化产生的磁场；可以认为每个电子在板P和Q间运动过程中，两板间的电压恒定．
a．试分析在一个周期（即2t0时间）内单位长度亮线上的电子个数是否相同．
b．若在一个周期内单位长度亮线上的电子个数相同，求2t0时间内打到单位长度亮线上的电子个数n；若不相同，试通过计算说明电子在荧光屏上的分布规律．
（1）根据动能定理eU0=
mv2解得：v=
①
（2）电子在磁场中做匀速圆周运动，设圆运动半径为 R，
在磁场中运动轨迹如图1，由几何关系R2=l2+(R-
)2
解得：R=
l
根据牛顿第二定律：Bev=m
解得：B=
设圆弧所对圆心为α，满足：sinα=
=
由此可知：tanα=
电子离开磁场后做匀速运动，满足几何关系：
=tanα
通过上式解得坐标x=
l
（3）a．设电子在偏转电场PQ中的运动时间为t1，PQ间的电压为u
垂直电场方向：l=vt1②
平行电场方向：x1=
at12 ③
此过程中电子的加速度大小 a=
④
①、②、③、④联立得：x1=
电子出偏转电场时，在x方向的速度vx=at1 ⑤
电子在偏转电场外做匀速直线运动，设经时间t2到达荧光屏．则
水平方向：l=vt2 ⑥
竖直方向：x2=vxt2 ⑦
①、⑤、⑥、⑦联立，解得：x2=
电子打在荧光屏上的位置坐标x=x1+x2=
u ⑧
对于有电子穿过P、Q间的时间内进行讨论：
由图2可知，在任意△t时间内，P、Q间电压变化△u相等．
由⑧式可知，打在荧光屏上的电子形成的亮线长度△x=
△u．
所以，在任意△t时间内，亮线长度△x相等．
由题意可知，在任意△t时间内，射出的电子个数是相同的．
也就是说，在任意△t时间内，射出的电子都分布在相等的亮线长度△x范围内．
因此，在一个周期内单位长度亮线上的电子个数相同．
b．现讨论2t0时间内，打到单位长度亮线上的电子个数：
当电子在P、Q电场中的侧移量x1=
时，由x1=
得：u=2U0
当偏转电压在0～±2U0之间时，射入P、Q间的电子可打在荧光屏上．
由图2可知，一个周期内电子能从P、Q电场射出的时间t=
T=
所以，一个周期内打在荧光屏上的电子数Nt=
由⑧式，电子打在荧光屏上的最大侧移量xm=
亮线长度L=2xm=3l
所以，从0～2t0时间内，单位长度亮线上的电子数n=
=
答：
（1）电子到达小孔S2时的速度大小v为
；
（2）磁场的磁感应强度大小B是
，电子打在荧光屏上的位置坐标x为
l；
（3）从0～2t0时间内，单位长度亮线上的电子数n为
．
| 1 |
| 2 |
|
（2）电子在磁场中做匀速圆周运动，设圆运动半径为 R，
在磁场中运动轨迹如图1，由几何关系R2=l2+(R-
| l |
| 2 |
解得：R=
| 5 |
| 4 |
根据牛顿第二定律：Bev=m
| v2 |
| R |
解得：B=
| 4 |
| 5l |
|
设圆弧所对圆心为α，满足：sinα=
| l |
| R |
| 4 |
| 5 |
由此可知：tanα=
| 4 |
| 3 |
电子离开磁场后做匀速运动，满足几何关系：
x-
| ||
| l |
通过上式解得坐标x=
| 11 |
| 6 |
（3）a．设电子在偏转电场PQ中的运动时间为t1，PQ间的电压为u
垂直电场方向：l=vt1②
平行电场方向：x1=
| 1 |
| 2 |
此过程中电子的加速度大小 a=
| eu |
| ml |
①、②、③、④联立得：x1=
| ul |
| 4U0 |
电子出偏转电场时，在x方向的速度vx=at1 ⑤
电子在偏转电场外做匀速直线运动，设经时间t2到达荧光屏．则
水平方向：l=vt2 ⑥
竖直方向：x2=vxt2 ⑦
①、⑤、⑥、⑦联立，解得：x2=
| ul |
| 2U0 |
| 3l |
| 4U0 |
对于有电子穿过P、Q间的时间内进行讨论：
由图2可知，在任意△t时间内，P、Q间电压变化△u相等．
由⑧式可知，打在荧光屏上的电子形成的亮线长度△x=
| 3l |
| 4U0 |
所以，在任意△t时间内，亮线长度△x相等．
由题意可知，在任意△t时间内，射出的电子个数是相同的．
也就是说，在任意△t时间内，射出的电子都分布在相等的亮线长度△x范围内．
因此，在一个周期内单位长度亮线上的电子个数相同．
b．现讨论2t0时间内，打到单位长度亮线上的电子个数：
当电子在P、Q电场中的侧移量x1=
| l |
| 2 |
| ul |
| 4U0 |
当偏转电压在0～±2U0之间时，射入P、Q间的电子可打在荧光屏上．
由图2可知，一个周期内电子能从P、Q电场射出的时间t=
| 2 |
| 3 |
| 4t0 |
| 3 |
所以，一个周期内打在荧光屏上的电子数Nt=
| 4Nt0 |
| 3 |
由⑧式，电子打在荧光屏上的最大侧移量xm=
| 3l |
| 2 |
亮线长度L=2xm=3l
所以，从0～2t0时间内，单位长度亮线上的电子数n=
| Nt |
| L |
| 4Nt0 |
| 9l |
答：
（1）电子到达小孔S2时的速度大小v为
|
（2）磁场的磁感应强度大小B是
| 4 |
| 5l |
|
| 11 |
| 6 |
（3）从0～2t0时间内，单位长度亮线上的电子数n为
| 4Nt0 |
| 9l |
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