题目内容

3.如图所示,水平放置的两根光滑平行长导轨M、N相距L0=2m,两轨之间有垂直导轨平面向里的磁感应强度B1=20T的匀强磁场,金属杆ab与导轨良好接触,从t=0时刻开始,ab在外力作用下其速度满足v=25cos2πt(m/s)沿导轨方向运动,并把产生的电压加在两块长L1=10cm、间距d=4cm的平行金属板A、B之间.在离金属板右边缘L2=75cm处放置一个荧光屏,左边缘紧接一个电子加速器,加速电压U0=5000V(不计电子在加速器中运动的时间).从t=0时刻开始,电子不断地从阴极K射出并以初速为零开始向右运动.已知电子的质量为m=9.1×10-31kg.

(1)计算确定加在平行金属板A、B之间电压的表达式;
(2)计算电子得到加速后的速度;(结果保留二位有效数字)
(3)计算确定电子在荧光屏上偏离O点的距离随时间变化的表达式.

分析 (1)由根据法拉第电磁感应定律:e=BLv可得表达式.
(2)由动能定理得:eU=$\frac{1}{2}m{v}^{2}$可得速度值.
(3)运动分为类平抛与匀速直线,两个过程的竖直分位移之和即为要求的偏转量.

解答 解:(1)根据法拉第电磁感应定律
   e=B1L0v=20×2×25cos2πt (V)=1000cos2πt (V)   
  因电路开路,故加在金属板A、B间的电压
      U=e=1000cos2πt (V)    
(2)对电子的加速过程,由动能定理得
      eU0=$\frac{1}{2}$mv02 得电子加速后的速度    v0=$\sqrt{\frac{2e{U}_{0}}{m}}$=4.2×107m/s  
(3)电子进入偏转电场后,电子在水平方向运动的时间为
      t1=$\frac{{L}_{1}}{{v}_{0}}$=2.5×10-9s,
     而偏转电压的周期T=$\frac{2π}{ω}$=1S
故可以忽略运动期间偏转电压的变化,认为电场是稳定的,因此电子做类平抛的运动,如图所示,
e
交流电压在A、B两板间产生的电场强度E=$\frac{U}{d}$
电子飞离金属板时的偏转距离${y}_{1}=\frac{1}{2}a{t}_{1}^{2}=\frac{1}{2}\frac{eE}{m}(\frac{{L}_{1}}{{v}_{0}})^{2}$
电子飞离金属板时的竖直速度${v}_{y}=a{t}_{1}=\frac{eE}{m}(\frac{{L}_{1}}{{v}_{0}})$  
电子从飞离金属板到达荧光屏时的偏转距离
   ${y}_{2}={v}_{y}{t}_{2}=\frac{eE}{m}\frac{{L}_{1}}{{v}_{0}}\frac{{L}_{2}}{{v}_{0}}=\frac{eE}{m}\frac{{L}_{1}{L}_{2}}{{v}_{0}^{2}}$ 
所以,电子在荧光屏上偏离O点的距离随时间变化的表达式为:
 $y={y}_{1}+{y}_{2}=(\frac{{L}_{1}}{2}+{L}_{2})\frac{eE{L}_{1}}{m{v}_{0}^{2}}$=$(\frac{{L}_{1}}{2}+{L}_{2})\frac{{L}_{1}U}{2d{U}_{0}}$=0.20cos2πt
答:(1)加在平行金属板A、B之间电压的表达式为U=e=1000cos2πt (V);
(2)得到加速后的速度为=4.2×107m/s
(3)电子在荧光屏上偏离O点的距离随时间变化的表达式为y=0.20cos2πt

点评 本题是带电粒子在电场中运动的典型问题:在电场中加速,在电场中做类平抛运动,掌握粒子在电场中的运动规律是解决本题的关键

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