如图甲所示,两平行金属板间距为2l,极板长度为4l,两极板间加上如图乙所示的交变电压(t=0时上极板带正电).以极板间的中心线OO1为x轴建立坐标系,现在平行板左侧入口正中部有

◎ 题目

如图甲所示,两平行金属板间距为2l,极板长度为4l,两极板间加上如图乙所示的交变电压(t=0时上极板带正电).以极板间的中心线OO1为x轴建立坐标系,现在平行板左侧入口正中部有宽度为l的电子束以平行于x轴的初速度v0从t=0时不停地射入两板间.已知电子都能从右侧两板间射出,射出方向都与x轴平行,且有电子射出的区域宽度为2l.电子质量为m,电荷量为e,忽略电子之间的相互作用力.
(1)求交变电压的周期T和电压U0的大小;
(2)在电场区域外加垂直纸面的有界匀强磁场,可使所有电子经过有界匀强磁场均能会聚于(6l,0)点,求所加磁场磁感应强度B的最大值和最小值;
(3)求从O点射入的电子刚出极板时的侧向位移.

◎ 答案

(1)电子在电场中水平方向做匀速直线运动,
则:4l=v0nT,解得:T=
4l
nv0
(n=1,2,3…),
电子在电场中运动最大侧向位移:
l
2
=2n?
1
2
a(
T
2
)2
,由牛顿第二定律得:a=
eU0
2lm

解得:U0=
nm
v20
4e
(n=1,2,3…);
(2)粒子运动轨迹如图所示:

由图示可知,最大区域圆半径满足:rm2=(2l)2+(rm-l)2,解得:rm=2.5l,
对于带电粒子当轨迹半径等于磁场区域半径时,带电粒子将汇聚于一点,
由牛顿第二定律得:qv0Bmin=
m
v20
rm
,解得:Bmin=
2mv0
5el

最小区域圆半径为rn=0.5l,
由牛顿第二定律得:qv0Bmax=
m
v20
rn
,解得:Bmax=
2mv0
el

(3)设时间为τ,
T
2
>τ>0
,若t=kT+τ且(
T
2
>τ>0)
时电子进入电场,
则:
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