题目内容

3.在如图所示的真空管中,质量为m,电量为e的电子从灯丝F发出,经过电压U1加速后沿中心线射入相距为d的两平行金属板B、C间的匀强电场中,通过电场后打到荧光屏上,设B、C间电压为U2,B、C板长为l1,平行金属板右端到荧光屏的距离为l2,求:
(1)电子离开偏转电场U2的侧移量y.
(2)电子离开匀强电场U2时的速度与进入时速度间的夹角正切值.
(3)电子打到荧光屏上的位置偏离屏中心的距离.如要使电子距离屏中心的距离增大,可采取哪些措施?

分析 (1)电子在加速电场U1中运动时,电场力对电子做正功,根据动能定理求解电子穿过A板时的速度大小.电子进入偏转电场后做类平抛运动,垂直于电场方向作匀速直线运动,沿电场方向作初速度为零的匀加速直线运动.根据板长和初速度求出时间.根据牛顿第二定律求解加速度,由位移公式求解电子从偏转电场射出时的侧移量.
(2)电子离开偏转电场后沿穿出电场时的速度做匀速直线运动,水平方向:位移为L2,分速度等于v0,求出匀速运动的时间.竖直方向:分速度等于vy,由tanθ=$\frac{{v}_{y}}{{v}_{0}}$.即可求出结果.
(3)根据几何比例关系,即可求解;根据上式可确定,打电子在屏上的距离变大的方法;

解答 解:(1)设电子经电压U1加速后的速度为v0,
由动能定理得:eU1=$\frac{1}{2}$mv02,解得:v0=$\sqrt{\frac{2e{U}_{1}}{m}}$;
电子以速度v0进入偏转电场后,垂直于电场方向做匀速直线运动,
沿电场方向做初速度为零的匀加速直线运动,设偏转电场的电场强度为E,
电子在偏转电场中运动的时间为t1,电子的加速度为α,离开偏转电场时的侧移量为y1,
由牛顿第二定律得:F=eE2=e$\frac{{U}_{2}}{d}$=ma,解得:a=$\frac{e{U}_{2}}{md}$,
由运动学公式得:L1=v0t1,y=$\frac{1}{2}$at12,解得:y=$\frac{{U}_{2}{L}_{1}^{2}}{4d{U}_{1}}$;
(2)设电子离开偏转电场时沿电场方向的速度为υy,
由匀变速运动的速度公式可知υy=at1;
电子离开匀强电场U2时的速度:$v=\sqrt{{v}_{0}^{2}+{v}_{y}^{2}}$=$\sqrt{\frac{2e{U}_{1}}{m}+\frac{e{U}_{2}^{2}{L}_{1}^{2}}{2m{d}^{2}{U}_{1}}}$
电子离开匀强电场U2时的速度与进入时速度间的夹角正切值:$tanθ=\frac{{v}_{y}}{{v}_{0}}$
联立方程,整理得:$tanθ=\frac{{U}_{2}{L}_{1}}{2d{U}_{1}}$
(3)电子离开偏转电场后做匀速直线运动,因tanθ=$\frac{y}{\frac{{L}_{1}}{2}}=\frac{{U}_{2}{L}_{1}}{2d{U}_{1}}$=$\frac{{y}_{OP}}{\frac{{L}_{1}}{2}+{L}_{2}}$
所以yOP=$\frac{{L}_{1}{U}_{2}({L}_{1}+2{L}_{2})}{4d{U}_{1}}$
使打电子在屏上的距离yOP变大,由上公式可知,只增大L1;
答:(1)电子离开偏转电场U2的侧移量是$\frac{{U}_{2}{L}_{1}^{2}}{4d{U}_{1}}$.
(2)电子离开匀强电场U2时的速度是$\sqrt{\frac{2e{U}_{1}}{m}+\frac{e{U}_{2}^{2}{L}_{1}^{2}}{2m{d}^{2}{U}_{1}}}$,进入时速度间的夹角正切值是$\frac{{U}_{2}{L}_{1}}{2d{U}_{1}}$.
(3)电子打到荧光屏上的位置偏离屏中心的距离是$\frac{{L}_{1}{U}_{2}({L}_{1}+2{L}_{2})}{4d{U}_{1}}$.如要使电子距离屏中心的距离增大,可采取哪些措施只增大偏转电压U2,或L1和L2,或减小加速电压U1.

点评 带电粒子在电场中类平抛运动的研究方法与平抛运动相似,采用运动的合成与分解.第(3)问也可以利用三角形相似法求解.

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