(2008?黃岡模擬)如圖為示波管的部分示意圖,豎直YY′和水平XX′偏轉(zhuǎn)電極的板車都為l=4cm,電極間距離都為d=1cm,YY′、XX′板右端到熒光屏的距離分別為10cm和12cm,兩偏轉(zhuǎn)電場間無相互影響.電子束通過A板上的小孔沿中心軸線進入偏轉(zhuǎn)電極時的速度為v0=1.6×107m/s,元電荷電量e=1.6×10-19C,電子質(zhì)量m=0.91×10-39kg.當偏轉(zhuǎn)電極上不加電壓時,電子束打在熒光屏上的O點.求:

(1)要使電子束不打在偏轉(zhuǎn)電極的極板上,加在偏轉(zhuǎn)電極上的偏轉(zhuǎn)電壓U不能超過多大?
(2)若在偏轉(zhuǎn)電極XX′上加Ux=45.5sin(10πt)V的電壓,在偏轉(zhuǎn)電極YY′上加Uy=45.5cos(100πt)V的電壓,通過計算說明源源不斷的電子燈打在熒光屏上所產(chǎn)生亮點的軌跡形狀.
分析:(1)粒子在偏轉(zhuǎn)電場中做類平拋運動,抓住沿電場方向做初速度為零的勻加速直線運動,垂直電場方向做勻速直線運動,抓住偏轉(zhuǎn)位移的最大值為
d
2
,結(jié)合牛頓第二定律和運動學公式,通過等時性求出偏轉(zhuǎn)電壓的最大值.
(2)電場的變化周期遠大于粒子在偏轉(zhuǎn)電場中運動的時間,可以認為電子通過偏轉(zhuǎn)電場的過程中板間時均為勻強電場,抓住粒子出偏轉(zhuǎn)電場時速度的反向延長線經(jīng)過中軸線的中點,根據(jù)相似三角形求出打在熒光屏上距離O點的距離,從而得出x和y坐標的關(guān)系式,確定軌跡的形狀.
解答:解:(1)設(shè)偏轉(zhuǎn)電場的場強為E,則有:E=
U
d

設(shè)電子經(jīng)時間t通過偏轉(zhuǎn)電場,偏離軸線的側(cè)向位移為s側(cè),則有:
在中心軸線方向上:t=
l
v0

在軸線側(cè)向有:a=
eE
m

S側(cè)=
1
2
at2

要使電子束不打在偏轉(zhuǎn)電極的極板上,則
d
2
S側(cè)

代入數(shù)據(jù)解①~⑤式可得U≤91V
(2)由②式可得t=2.5×10-9s
而電場的變化周期T=
ω
得T=0.02s≥t
故可以認為電子通過偏轉(zhuǎn)電場的過程中板間時均為勻強電場
設(shè)電子通過偏轉(zhuǎn)電場過程中產(chǎn)生的側(cè)向速度為v側(cè),偏轉(zhuǎn)角為θ,則電子通過偏轉(zhuǎn)電場時有:v側(cè)=a?t⑥
tanθ=
v側(cè)
v0

設(shè)偏轉(zhuǎn)極板右端到熒光屏距離為L,因為粒子出電場時速度的反向延長線經(jīng)過中軸線的中點.
根據(jù)相似三角形得,
s側(cè)
s
=
L
2
L
2
+L
=tanθ

電子在熒光屏上偏離O點的距離為s=(
l
2
+L)tanθ

由①~③式、⑥~⑨式可得電子在熒光屏上的x、y坐標為:x=0.018sin(100πt)my=0.025cos(100πt)m
所以熒光屏上出現(xiàn)的是半長軸和半短軸分別為0.025m、0.018m的橢圓.
答:(1)加在偏轉(zhuǎn)電極上的偏轉(zhuǎn)電壓U不能超過91V.
(2)熒光屏上出現(xiàn)的是半長軸和半短軸分別為0.025m、0.018m的橢圓.
點評:本題考查帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn),掌握處理曲線運動的方法,知道粒子在沿電場方向做初速度為零的勻加速直線運動,垂直電場方向做勻速直線運動.
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