Question

11．電子擴(kuò)束裝置由電子加速器、偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)組成．偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)由加了電壓的相距為d的兩塊水平平行放置的導(dǎo)體板形成，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的左邊界與偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的右邊  界相距為s，如圖甲所示．大量電子（其重力不計(jì)）由靜止開(kāi)始，經(jīng)加速電場(chǎng)加速后，連續(xù)不斷地沿平行板的方向從兩板正中間射入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)．當(dāng)兩板不帶電時(shí)，這些電子通過(guò)兩板之間的時(shí)間為2t₀，當(dāng)在兩板間加如圖乙所示的周期為2t₀、幅值恒為U₀的電壓時(shí)，所有電子均從兩板間通過(guò)，進(jìn)入水平寬度為l，豎直寬度足夠大的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，最后通過(guò)勻強(qiáng)磁場(chǎng)打在豎直放置的熒光屏上．問(wèn)：

（1）電子在剛穿出兩板之間時(shí)的最大側(cè)向位移與最小側(cè)向位移之比為多少？
（2）要使側(cè)向位移最大的電子能垂直打在熒光屏上，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為多少？
（3）保持第（2）問(wèn)中的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度不變，請(qǐng)說(shuō)明是否所有的電子都能垂直打熒光屏上．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)粒子在磁場(chǎng)中的半徑的公式可知，粒子的速度越大，半徑越大，所以要使電子的側(cè)向位移最大，應(yīng)讓電子從0、2t₀、4t₀…等時(shí)刻進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，要使電子的側(cè)向位移最小，應(yīng)讓電子從t₀、3t₀…等時(shí)刻進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)；
（2）電子垂直打在熒光屏上，根據(jù)粒子的運(yùn)動(dòng)的軌跡的幾何關(guān)系，可以求得勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小；
（3）各個(gè)時(shí)刻從偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中出來(lái)的電子的速度大小相同，方向也相同，因此電子進(jìn)入磁場(chǎng)后的半徑也相同．根據(jù)電子從偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中出來(lái)時(shí)的最大側(cè)向位移和最小側(cè)向位移，然后答題．

解答 解：（1）由題意可知，要使電子的側(cè)向位移最大，應(yīng)讓電子從0、2t₀、4t₀…等時(shí)刻進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，
在這種情況下，電子的側(cè)向位移為：${y_{max}}=\frac{1}{2}at_0^2+{y_y}{t_0}$，即：${y_{max}}=\frac{{1{U_0}e}}{2dm}t_0^2+\frac{{{U_0}e}}{dm}t_0^2=\frac{3}{2}\frac{{{U_0}e}}{dm}t_0^2$，
要使電子的側(cè)向位移最小，應(yīng)讓電子從t₀、3t₀…等時(shí)刻進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，在這種情況下，
電子的側(cè)向位移為${y_{min}}=\frac{1}{2}at_0^2$${y_{min}}=\frac{1}{2}\frac{{{U_0}e}}{dm}t_0^2$，
所以，最大側(cè)向位移和最小側(cè)向位移之比為y_max：y_min=3：1；
（2）設(shè)電子從偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中射出時(shí)的偏向角為θ，
由于電子要垂直打在熒光屏上，
所以電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)半徑應(yīng)為：$R=\frac{l}{sinθ}$，
設(shè)電子從偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中出來(lái)的速度為v_t，垂直偏轉(zhuǎn)極板的速度為v_y，
則電子從偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中出來(lái)的偏向角為：$sinθ=\frac{v_y}{v_t}$，其中：${v_y}=\frac{{{U_0}e}}{dm}{t_0}$，
又$R=\frac{{m{v_1}}}{Be}$，由上述四式可得：$B=\frac{{{U_0}{t_0}}}{dl}$；
（3）所有的電子都能垂直打在熒光屏上，
各個(gè)時(shí)刻進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的電子，在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中加速時(shí)間均為t₀，
其豎直方向的速度為：${v_y}=\frac{{{U_0}e}}{dm}{t_0}$，
所以所有電子離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)速度v_t大小相同，方向也相同，
進(jìn)入磁場(chǎng)后，由于勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同，電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑：$R=\frac{{m{v_t}}}{Be}$，
因此電子進(jìn)入磁場(chǎng)后的半徑也相同，所有的電子都能垂直打在熒光屏上；
答：（1）電子在剛穿出兩板之間時(shí)的最大側(cè)向位移與最小側(cè)向位移之比為3：1；
（2）要使側(cè)向位移最大的電子能垂直打在熒光屏上，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為$\frac{{U}_{0}{t}_{0}}{dl}$；
（3）保持第（2）問(wèn)中的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度不變，所有的電子都能垂直打熒光屏上．

點(diǎn)評(píng) 本題是難點(diǎn)為分析帶電粒子的難點(diǎn)是分析帶電粒子的運(yùn)動(dòng)情況，可通過(guò)畫(huà)軌跡作速度圖象分析什么時(shí)刻進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的電子側(cè)向最大與最�。�