Question

如圖所示為示波器的原理圖，電子槍中熾熱的金屬絲可以發(fā)射電子，初速度很小，可視為零．電子槍的加速電壓為U₀，緊挨著是偏轉(zhuǎn)電極YYˊ、XXˊ，設(shè)偏轉(zhuǎn)電極的極板長(zhǎng)均為L(zhǎng)₁，板間距離均為d，偏轉(zhuǎn)電極XX’的右端到熒光屏的距離為L(zhǎng)₂，電子電量為e，質(zhì)量為m（不計(jì)偏轉(zhuǎn)電極YYˊ和XXˊ之間的間距）．在YYˊ、XXˊ偏轉(zhuǎn)電極上不加電壓時(shí)，電子恰能打在熒光屏上坐標(biāo)的原點(diǎn)．求：
（1）若只在YYˊ偏轉(zhuǎn)電極上加電壓U _YYˊ=U₁（U₁＞0），則電子到達(dá)熒光屏上的速度多大？
（2）若在YY’偏轉(zhuǎn)電極上加電壓為U _YYˊ=U₁sinωt （U₁＞0），同時(shí)在XXˊ偏轉(zhuǎn)電極上加電壓U _XXˊ=U₂（U₂＞0），試在熒光屏上畫(huà)出圖形及其大致位置，并求出熒光屏上+y方向的最大偏轉(zhuǎn)量．

Answer 1

分析：（1）電子在加速電場(chǎng)中，由動(dòng)能定理求解獲得的速度v₀在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中做類平拋運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律求得加速度，從而求出側(cè)向分速度，從而可求得到達(dá)熒光屏的速度；
（2）當(dāng)YY′偏轉(zhuǎn)電極上的電壓達(dá)到最大值時(shí)電子在熒光屏上+y方向的偏轉(zhuǎn)量最大．先求出電子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)YY′沿y方向的側(cè)向位移．電子離開(kāi)電場(chǎng)后，做勻速直線運(yùn)動(dòng)，再運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出電子YY′偏轉(zhuǎn)電極后的側(cè)向位移，即可求得最大偏轉(zhuǎn)量．

解答：解：（1）經(jīng)加速電壓后電子的速度為v₀
則根據(jù)動(dòng)能定理得：eU₀=

1

2

m

v

2 0

…①
電子經(jīng)過(guò)YY′偏轉(zhuǎn)電極的時(shí)間為t₁，側(cè)向分速度為v₁，則有 t₁=

L1

v0

…②
 v₁=at₁=

eU1

md

t₁…③
電子打到熒光屏上的速度等于離開(kāi)YY′偏轉(zhuǎn)電極時(shí)的速度，
由①、②、③可得
  v=

v 2 0 + v 2 1

=

2eU0 m + e U 2 1 L 2 1 2md2U0

．
（2）若在YY′偏轉(zhuǎn)電極上加電壓為U _YYˊ=U₁sinωt （U₁＞0），同時(shí)在XXˊ偏轉(zhuǎn)電極上加電壓U _XXˊ=U₂（U₂＞0）時(shí)，電子在YY′方向上下移動(dòng)，位移作周期性變化，在熒光屏上得到一條豎直的亮線；電子在XXˊ方向向X極板偏轉(zhuǎn)，所以在熒光屏上得到一條向X極板偏移的豎直直線，如圖紅線所示．
電子在YY′偏轉(zhuǎn)電極中的最大側(cè)向位移為 y₁=

1

2

a

t

2 1

=

1

2

?

eU1

md

?(

L1

v0

)2⑤
將①代入⑤得：y₁=

U1 L 2 1

4dU0

⑥
離開(kāi)YY′偏轉(zhuǎn)電極后的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為v₁、最大側(cè)向位移為y₂．
 t₂=

L1+L2

v0

 ⑦
 y₂=v₁t₂ ⑧
由②、③、⑦、⑧得：y₂=

U1L1(L1+L2)

2dU0

故電子在y方向的最大位移為y=y₁+y₂=

U1 L 2 1

4dU0

+

U1L1(L1+L2)

2dU0

=

U1L1

4dUo

（3L₁+2L₂）．
答：
（1）電子到達(dá)熒光屏上的速度是

2eU0 m + e U 2 1 L 2 1 2md2U0

．
（2）在熒光屏上畫(huà)出圖形及其大致位置如圖所示，電子熒光屏上+y方向的最大偏轉(zhuǎn)量是

U1L1

4dUo

（3L₁+2L₂）．

點(diǎn)評(píng)：本題是帶電粒子先加速后偏轉(zhuǎn)問(wèn)題，電場(chǎng)中加速根據(jù)動(dòng)能定理求解獲得的速度、偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中類平拋運(yùn)動(dòng)的研究方法是運(yùn)動(dòng)的分解和合成，常規(guī)問(wèn)題．