如图3(a)所示,真空室中电极K发出的电子(初速为零)。经U=1000V的加速电场后,由小孔S沿两水平金属板A、B两板间的中心线射入,A、B板长L=0.20m,相距d=0.020m,加在A、B两板

◎ 题目

如图3(a)所示,真空室中电极K发出的电子(初速为零)。经U=1000V的加速电场后,由小孔S沿两水平金属板A、B两板间的中心线射入,A、B板长L=0.20m,相距d=0.020m,加在A、B两板间的电压U随时间t变化u—t图线如图3(b)。设A、B两板间的电场可以看做是均匀的,且两板外无电场。在每个电子通过电场区域的极短时间内,电场可视作恒定的。两板右侧放一记录圆筒,筒的左侧边缘与极板右端距离,筒绕其竖直轴匀速转动,周期,筒的周长,筒能接收到通过A、B板的全部电子。

(1)以时(见图b此时)电子打到圆筒记录纸上的点作为坐标系的原点,并取轴竖直向上,试计算电子打到记录纸上的最高点的坐标(不计重力)。
(2)在给出的坐标纸(如图d)上定量地画出电子打到记录纸上的点形成的图线。

◎ 答案


(1)第一个最高点的坐标为
          
第二个最高点的坐标为
        
第三个最高点的坐标为

(2)图线参见解析。

◎ 解析


(1)设为电子沿AB板中心线射入电场时的初速度则
      (1)
电子穿过A、B板的时间为,则
         (2)
电子在垂直于A、B板方向的运动为匀加速直线运动,对于能穿过A、B板的电子,在它通过时加在两板间的应满足:
       (3)
由(1)、(2)、(3)解得

此电子从A、B板射出的沿Y方向分速度为:
       (4)
以后此电子作匀速直线运动,它打在记录纸上的点最高,设纵坐标为y由图(c)可得
         (5)
由以上各式解得:
       (6)
图线可知,加在两板电压的周期的最大值,因为,在一个周期内只有开始的一段时间间隔内有电子通过A、B板
           (7)
因为电子打在记录纸上的最高点不止一个,根据题中关于坐标原点与起始记录时刻的规定,第一个最高点的坐标为
           (8)
第二个最高点的坐标为
        (9)
第三个最高点的坐标为

由于记录筒的周长为,所以第三个最高点已与第一个最高点重合,即电子打到记录纸上的最高点只有两个,它们的坐标分别由(8)、(9)表示。
(2)电子打到记录纸上所形成的图线如图(d)。
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