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汤姆孙测定电子比荷的实验装置如图甲所示.从阴极K发出的电子束经加速后,以相同速度沿水平中轴线射入极板D1、D2区域,射出后打在光屏上形成光点.在极板D1、D2区域内,若不加电场和磁场,电子将打在P1点;若只加偏转电压U,电子将打在P2点;若同时加上偏转电压U和一个方向垂直于纸面向外、磁感应强度大小为B的匀强磁场(图中未画出),电子又将打在P1点.已知极板长度为L,极板间距为d.忽略电子的重力及电子间的相互作用.
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(1)求电子射人极板D1、D2区域时的速度大小;
(2)打在P2点的电子,相当于从D1、D2中轴线的中点O′射出,如图乙中的O′P2所示,已知∠P2O′P1=θ试推导出电子比荷
em
的表达式;
(3)若两极板间只加题中所述的匀强磁场,电子在极板间的轨迹为一段圆弧,射出后打在P3点.测得圆弧半径为2L、P3与P1间距也为2L,求图乙中P1与P2点的间距a.
分析:(1)当电子在极板D1、D2间受到电场力与洛伦兹力平衡时,做匀速直线运动,受力平衡,由平衡条件可求出电子运动速度.
(2)极板间仅有偏转电场时,电子在电场中做类平抛运动,将运动分解成沿电场强度方向与垂直电场强度方向的分运动,然后由牛顿第二定律和运动学公式列式后联立求解,从而可以求出电子比荷
e
m
的表达式.
(3)极板D1、D2间仅有匀强磁场时,电子做匀速圆周运动,射出磁场后电子做匀速直线运动,画出电子运动的轨迹,根据几何知识求解y.
解答:解:(1)电子在极板D1、D2间电场力与洛伦兹力的作用下沿中心轴线运动,即受力平衡,设电子的进入极板间时的速度为v.
由平衡条件有:
evB=eE   ①
两极板间电场强度:
E=
U
d
    ②
解得:
v=
U
Bd
    ③
(2)由几何关系得电子射出电场时竖直方向的侧移量:
y=
L
2
tanθ
  ④
根据牛顿第二定律,有:
eU
d
=ma
   ⑤
根据分位移公式,有:
L=vt   ⑥
y=
1
2
at2
   ⑦
又v=
U
Bd
 
联立各式得到:
e
m
=
Utanθ
B2dL
     ⑧
(3)如图所示,极板D1、D2间仅有匀强磁场时,电子做匀速圆周运动,射出磁场后做匀速直线运动,已知r=2L,由几何关系得到:α=30°   ⑨
射出磁场后水平方向的距离:精英家教网
x=
2L-r+
r2-L2
tanα
=3L  (10)
解得:
a=(
L
2
+3L
)tanθ=
7Ltanθ
2
  
答:(1)电子射人极板D1、D2区域时的速度大小为
U
Bd
;
(2)电子比荷
e
m
的表达式为为
e
m
=
Utanθ
B2dL
;
(3)图乙中P1与P2点的间距a为
7Ltanθ
2
.
点评:本题是组合场问题:对速度选择器,根据平衡条件研究;对于类平抛运动的处理,通常采用运动的分解法律:将运动分解成相互垂直的两方向运动,将一个复杂的曲线运动分解成两个简单的直线运动,并用牛顿第二定律和运动学公式来求解.对于带电粒子在磁场中的圆周运动,要正确画出轨迹,运用几何知识进行解题.
练习册系列答案
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精英家教网汤姆孙测定电子比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图所示.真空玻璃管内,阴极K发出的电子经加速后,穿过小孔A、C沿中心轴线OP1进入到两块水平正对放置的极板D1、D2间的区域,射出后到达右端的荧光屏上形成光点.若极板D1、D2间无电压,电子将打在荧光屏上的中心P1点;若在极板间施加偏转电压U,则电子将打P2点,P2与P1点的竖直间距为b,水平间距可忽略不计.若再在极板间施加一个方向垂直于纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场(图中未画出),则电子在荧光屏上产生的光点又回到P1点.已知极板的长度为L1,极板间的距离为d,极板右端到荧光屏间的距离为L2.忽略电子的重力及电子间的相互作用.
(1)求电子进入极板D1、D2间区域时速度的大小;
(2)推导出电子的比荷的表达式;
(3)若去掉极板D1、D2间的电压,只保留匀强磁场B,电子通过极板间的磁场区域的轨迹为一个半径为r的圆弧,阴极射线射出极板后落在荧光屏上的P3点.不计P3与P1点的水平间距,求P3与P1点的竖直间距y.

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图18-1-1所示为汤姆孙用来测定电子比荷的装置.当极板P和P′间不加偏转电压时,电子束打在荧光屏的中心O点处,形成一个亮点;加上偏转电压U后,亮点偏离到O′点,O′到O点的竖直距离为d,水平距离可忽略不计;此时在P与P′之间的区域里再加上一个方向垂直于纸面向里的匀强磁场,调节磁感应强度,当其大小为B时,亮点重新回到O点.已知极板水平方向长度为L1,极板间距为b,极板右端到荧光屏的距离为L2.

图18-1-1

(1)求打在荧光屏O点的电子速度的大小;

(2)推导出电子比荷的表达式.

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(18分)汤姆孙测定电子比荷(电子的电荷量与质量之比)的实验装置如图所示。真空玻璃管内,阴极K发出的电子经加速后,穿过小孔A、C沿中心轴线OP1进入到两块水平正对放置的极板D1、D2间的区域,射出后到达右端的荧光屏上形成光点。若极板D1、D2间无电压,电子将打在荧光屏上的中心P1点;若在极板间施加偏转电压U,则电子将打P2点,P2与P1点的竖直间距为b,水平间距可忽略不计。若再在极板间施加一个方向垂直于纸面向外、磁感应强度为B的匀强磁场(图中未画出),则电子在荧光屏上产生的光点又回到P1点。已知极板的长度为L1,极板间的距离为d,极板右端到荧光屏间的距离为L2。忽略电子的重力及电子间的相互作用。

(1)求电子进入极板D1、D2间区域时速度的大小;

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(1)求打在荧光屏O点的电子速度的大小;
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