题目内容

16.如图甲所示,大量电子由静止开始,经加速电场加速后,连续不断地沿水平方向从偏转电场的相距为d的两板正中间OO′射入偏转电场.当偏转电场的两板不带电时,这些电子通过两板之间的时间为2t0;当在两板上加如图乙所示的电压时(U0为已知),所有电子均能从两板间通过,然后进入垂直纸面向量、磁场应强度为B的匀强磁场中,最后都垂直打在竖直放置的荧光屏上.已知电子的质量为m、电荷量为e,其重力不计.求:

(1)从$\frac{{t}_{0}}{2}$时刻进入偏转电场的电子离开偏转电场时的位置到OO′的距离;
(2)偏转磁场区域的水平宽度L;
(3)偏转磁场区域的最小面积S.

分析 (1)电子在偏转电场中做类平抛运动与匀速直线运动,应用类平抛运动规律、匀速直线运动规律求出偏移量.
(2)电子在磁场中做匀速圆周运动,电子垂直打在荧光屏上,根据速度的合成与分解、几何知识求出磁场的宽度.
(3)求出电子离开偏转电场时的最大与最小偏移量,然后求出磁场的最小面积.

解答 解:(1)电子在偏转电场中的加速度:a=$\frac{eE}{m}$=$\frac{e{U}_{0}}{md}$,
电子的偏移量:y=$\frac{1}{2}$at02+a×$\frac{{t}_{0}}{2}$×t0,
解得,电子离开偏转电场时的位置到OO′的距离:y=$\frac{e{U}_{0}{t}_{0}^{2}}{md}$;
(2)电子离开偏转电场时的速度偏角为θ,电子垂直打在荧光屏上,电子在磁场中的轨道半径:R=$\frac{L}{sinθ}$,
电子离开偏转电场时的速度为v,垂直于偏转极板的分速度为vy,
电子离开偏转电场时:sinθ=$\frac{{v}_{y}}{v}$,vy=$\frac{e{U}_{0}{t}_{0}}{md}$,已知:R=$\frac{mv}{eB}$,
解得:L=$\frac{{U}_{0}{t}_{0}}{dB}$;
(3)由题意可知,从t0、3t0、…等时刻进入偏转电场的电子离开偏转电场时的位置到OO′距离最小,
由牛顿第二定律得:a=$\frac{eE}{m}$=$\frac{e{U}_{0}}{md}$,ymin=$\frac{1}{2}$at02,
解得:ymin=$\frac{e{U}_{0}{t}_{0}^{2}}{2md}$,
从0、2t0、4t0、…等时刻进入偏转电场的电子离开偏转电场时的位置到OO′距离最大,
ymax′=vyt0+$\frac{1}{2}$at02,vy=at0,
解得:ymax′=$\frac{3e{U}_{0}{t}_{0}^{2}}{2md}$,
由于各个时刻从偏转电场中射出的电子的速度大小相等,方向相同,因此电子进入磁场后做圆周运动的轨道半径相同,都能垂直打在荧光屏上,电子离开偏转电场时的位置到OO′的最大距离与最小距离的差值为:
△y1=ymax-ymin=$\frac{e{U}_{0}{t}_{0}^{2}}{md}$,
垂直打在荧光屏上的电子束的宽度:△y=△y1=$\frac{e{U}_{0}{t}_{0}^{2}}{md}$,
匀强磁场的最小面积:S=△y×L=$\frac{e{U}_{0}^{2}{t}_{0}^{2}}{mB{d}^{2}}$;
答:(1)从$\frac{{t}_{0}}{2}$时刻进入偏转电场的电子离开偏转电场时的位置到OO′的距离为$\frac{e{U}_{0}{t}_{0}^{2}}{md}$;
(2)偏转磁场区域的水平宽度L为$\frac{{U}_{0}{t}_{0}}{dB}$;
(3)偏转磁场区域的最小面积S为$\frac{e{U}_{0}^{2}{t}_{0}^{2}}{mB{d}^{2}}$.

点评 本题考查了电子在电场、磁场中的运动,电子在偏转电场中偏转、在匀强磁场中做匀速圆周运动,分析清楚电子的运动过程是正确解题的关键,应用匀变速直线运动的运动规律可以解题.

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