12.真空室中有如图甲所示的装置,电极K持续发出的电子(初速不计)经过电场加速后,从小孔O沿水平放置的偏转极板M、N的中心轴线OO'射入。加速电压,M、N板长均为L,偏转极板右侧有荧光屏(足够大且未画出)。M、N两板间的电压
随时间t变化的曲线如图乙所示,其中
。调节两板之间的距离,使得每个电子都能通过偏转极板。已知电子质量、电荷量为m、e,不计电子重力。
(1)求电子通过偏转极板的时间t;
(2) 偏转极板之间的最小距离d;
(3)当偏转极板间的距离为最小值d时,荧光屏如何放置时电子击中的范围最小,该范围的长度是多大。
(1)(2)
(3)
解:(1)电子在加速电场中,根据动能定理有 (2分)
电子在偏转电场中,水平方向: (1分)
解得 (2分)
⑵t = 0、T、2T…时刻进入偏转电场的电子,竖直方向先加速运动,后作匀速直线运动,射出电场时沿竖直方向偏移的距离最大。
竖直方向加速有 (1分)
竖直方向匀速运动有 (2分)
电子能出偏转极板有 (1分)
联立得 (2分)
(3)对满足(2)问条件下任意确定的d,不同时刻射出偏转电场的电子沿垂直于极板方向的速度均为 (2分)
电子速度偏转角的正切值均为即
(2分)
电子射出偏转电场时的偏转角度相同,即电场出偏转电场时速度的大小和方向均相同
不同时刻射出偏转电场的电子沿垂直于极板方向的侧移距离可能不同,侧移距离的最大值与最小值之差 即
根据动能定理求加速电场的末速度,进入偏转电场后做类平抛,t=0、T、2T……时刻进入偏转电场的电子,竖直方向先做加速后做匀速,射出电场时沿垂直电场方向偏移的Y最大,匀加速运动和匀速运动的竖直位移满足即可求解。
带电粒子在电场中的运动性质判断