题目内容

10.如图(a)所示,真空室中电极K发出的电子(初速不计)经过U0=1000V的加速电场后,由小孔S沿两水平金属板A、B间的中心线射入,A、B板长l=0.20m,板间距离d=0.02m.加在A、B两板间的电压“随时间变化的u-t图线如图(b)所示.设A、B间的电场可看作是均匀的,且两板外无电场,在每个电子通过电场区域的极短时间内,电场可视作恒定的.两板右侧放一记录圆筒,筒的左侧边缘与极板右端距离b=0.15m,筒能接收到通过A、B板的全部电子,以t-0时(见图(b),此时u=0)电子打到圆筒记录纸上的点作为y坐标系的原点,并取y轴竖直向上.试计算

(1)电子能穿出偏转电场的偏转电压的最大值为多少?
(2)电子打到记录纸上的最高点的Y.

分析 (1)根据动能定理计算电子进入偏转电场时的速度,再根据带电粒子在偏转电场中做类平抛运动分析粒子刚好出电场时的偏转电压;
(2)当粒子刚好从极板边缘出射时,在记录纸上打的距离最远;根据粒子出射速度反向延长线过水平位移中点来分析解答.

解答 解:(1)设电子在加速电场中加速后进入偏转电场时的速度为v0,
根据动能定理可得:$e{U}_{0}=\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$;
电子在偏转电场中运动时的做类平抛运动,设刚好射出电场时的偏转电压为U,
根据牛顿第二定律可得:a=$\frac{eU}{md}$,
运动时间为:$t=\frac{l}{{v}_{0}}$,
则根据位移时间关系可得:$\frac{d}{2}=\frac{1}{2}a{t}^{2}=\frac{eU{l}^{2}}{2m{v}_{0}^{2}d}=\frac{U{l}^{2}}{4{U}_{0}d}$,
代入数据解得:U=20V;
所以电子能穿出偏转电场的偏转电压的最大值为20V;
(2)出射速度的反向延长线过水平位移的中点,如图所示,

根据图中几何关系可得:$\frac{y}{Y}=\frac{\frac{l}{2}}{\frac{l}{2}+b}$,
当$y=\frac{d}{2}$时Y最大,
则:$Y=\frac{(l+2b)d}{2l}=\frac{(0.2+2×0.15)×0.02}{2×0.2}m=0.025m=2.5cm$.
答:(1)电子能穿出偏转电场的偏转电压的最大值为20V;
(2)电子打到记录纸上的最高点为2.5cm.

点评 有关带电粒子在匀强电场中的运动,可以从两条线索展开:其一,力和运动的关系.根据带电粒子受力情况,用牛顿第二定律求出加速度,结合运动学公式确定带电粒子的速度和位移等;其二,功和能的关系.根据电场力对带电粒子做功,引起带电粒子的能量发生变化,利用动能定理进行解答.

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