示波器是一种多功能电学仪器,可以在荧光屏上显示出被检测的电压波形.示波管是示波器的核心部分,它主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成,其简化图如图甲所示.电子枪释放电子并使电子加速后从小孔A射出,偏转系统使电子束发生偏转,电子束打在荧光屏形成光迹.这三部分均封装于真空玻璃壳中.已知电子的电荷量为e,质量为m,电子所受重力及电子之间的相互作用力均可忽略不计,不考虑相对论效应.

(1)闭合开关S,电子枪中的灯丝K发热后逸出电子,电子逸出的初速度可忽略不计.经过阴极K和阳极A之间电压为U0的电场加速后,电子从阳极板A上的小孔中射出,求电子射出时的速度v0是多大?

(2)电子被U0的电场加速后进入偏转系统,若只考虑电子沿Y(竖直)方向的偏转情况,偏转系统可以简化为如图乙所示的偏转电场.偏转电极的极板长为L1,两板间距离为d,极板右端与荧光屏的距离为L2,当在偏转电极上加如图丙所示的正弦交变电压时(所有电子均能从极板中射出,且电子穿过极板的时间极短,约10-9s),求电子打在荧光屏上产生的亮线的最大长度;

(3)若在偏转电极XXˊ上加如图丁所示的电压,在偏转电极YYˊ上加如图丙所示的电压时,荧光屏上显示出如图戊所示的图形,此时XXˊ上所加电压的周期是多少?

若在两个偏转电极上均加上u=Asin(ωt + φ)或u=Acos(ωt + φ)(φ取各种不同值)交变电压时,荧光屏上将显示出各种各样的图形,这些图形称为李萨茹图形.若在偏转电极YYˊ上加如图丙所示的电压,在偏转电极XXˊ上加如图己所示的电压时,请你尝试画出荧光屏上将会出现的图形(画在答题纸上的方格图内).

光对被照射物体单位面积上所施加的压力叫光压,也称为辐射压强.1899年,俄国物理学家列别捷夫用实验测得了光压,证实了光压的存在.根据光的粒子性,在理解光压的问题上,可以简化为如下模型:一束光照射到物体表面,可以看作大量光子以速度c连续不断地撞向物体表面(光子有些被吸收,而有些被反射回来),因而就对物体表面产生持续、均匀的压力.

(1)假想一个质量为m的小球,沿光滑水平面以速度v撞向一个竖直墙壁,若反弹回来的速度大小仍然是v.求这个小球动量的改变量(回答出大小和方向).

(2)爱因斯坦总结了普朗克的能量子的理论,得出每一个光子的能量E=hν,在爱因斯坦的相对论中,质量为m的物体具有的能量为E=mc2,结合你所学过的动量和能量守恒的知识,证明:光子的动量(其中,c为光速,h为普朗克恒量,ν为光子的频率,λ为光子的波长).

(3)由于光压的存在,科学家们设想在太空中利用太阳帆船进行星际旅行——利用太空中阻力很小的特点,制作一个面积足够大的帆接收太阳光,利用光压推动太阳帆船前进,进行星际旅行.假设在太空中某位置,太阳光在单位时间内、垂直通过单位面积的能量为E0,太阳光波长的均值为λ,光速为c,太空帆的面积为A,太空船的总质量为M,光子照射到太阳帆上的反射率为百分之百,求太阳光的光压作用在太空船上产生的最大加速度是多少?

根据上述对太空帆船的了解及所学过的知识,你简单地说明一下,太空帆船设想的可能性及困难(至少两条).

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