解题思路:(1)由动能定理求出电子经加速电场加速后的速度,然后由匀速运动的位移公式求出极板长度.
(2)分析出粒子在一个周期内的运动情况,绘出粒子运动的v-t图象,根据图象求出粒子偏转正负方向的最大位移;
(3)作出粒子偏转轨迹,根据题目给定的数据解出电子偏转所满足的条件,根据几何关系求满足条件的磁场面积即可.
(1)设电子经过加速电场后的速度为v0,
在加速电场中,由动能定理得:eU0=
1
2mv02−0 ①
当MN间不加偏转电压时,电子穿过MN偏转板间的运动为匀速直线运动,
位移:L=v0×6t0②
联立①②解得:L=6t0
2eU0
m.
(2)设两板间距为d,当偏转电压UMN=2U0时,
电子在垂直板方向的加速度为:a1=
2eU0
md,方向向上,
当偏转电压UMN=-U0时,电子在垂直板方向的加速度为:
a2=
eU0
md,方向向下.
由于电子在平行于板方向做匀速直线运动,电子穿过偏转电场的时间仍然是6t0,
由于任何一个电子在一个偏转电压变化周期T=3t0时间内速度变化为:△v=a1t0+a2(2t0)=0
所以,所有电子穿过电场时速度仍然为v0,由①式解得,v0=
2eU0
m,方向平行于MN板.
不同时空进入偏转电场的电子在电场方向上的速度vy随时间变化如图所.
由图可知,在nT(其中n=0,1,2,…)时刻进入偏转电场的电子,具有了最大的向上方向侧移;
在t=(n+[1/3])T(其中n=0,1,2,…)时刻进入偏转电场的电子,具有了最大的向下方向的侧移;
显然在v-t图象中,图线与时间轴围成的面积表示物体的位移,因此电子在偏转电场中的最大侧移量为:ym=2×
1
2
2eU0
mdt0×3t0=
6eU0t02
md ③.
为了保证所有电子都能穿过偏转电场,需满足:ym≤
d
2
解得d≥2
点评:
本题考点: 带电粒子在匀强磁场中的运动;带电粒子在匀强电场中的运动.
考点点评: 本题前2问比较简单,根据粒子在偏转电场中运动,根据运动的合成与分解求解相关的物理量,第3问关键是要作出电子运动的轨迹,并能根据几何关系求出电子在磁场中偏转时所满足的几何关系,从而求出磁场区域的最小面积.