Question

9．如圖所示，在xoy平面內(nèi)，有一電子源持續(xù)不斷地沿x正方向每秒發(fā)射出N個速率均為v的電子，形成寬為2b，在y軸方向均勻分布且關于x軸對稱的電子流．電子流沿x方向射入一個半徑為R，中心位于原點O的圓形勻強磁場區(qū)域，磁場方向垂直xoy平面向里，電子經(jīng)過磁場偏轉(zhuǎn)后均從P點射出．在磁場區(qū)域的正下方有一對平行于x軸的金屬平行板K和A，其中K板與P點的距離為d，中間開有寬度為2l且關于y軸對稱的小孔．K板接地，A與K兩板間加有正負、大小均可調(diào)的電壓U_AK，穿過K板小孔達到A板的所有電子被收集且導出，從而形成電流，已知b=$\frac{{\sqrt{3}}}{2}$R，d=l，電子質(zhì)量為m，電荷量為e，忽略電子間相互作用．
（1）求磁感應強度B的大��；
（2）求電子流從P點射出時與負y軸方向的夾角θ的范圍；
（3）當U_AK=0時，每秒經(jīng)過極板K上的小孔到達板A的電子數(shù)；
（4）在圖中定性畫出電流i隨U_AK變化的關系曲線．要求標出相關數(shù)據(jù)，且要有計算依據(jù)．

Answer 1

分析 （1）電子在磁場中做勻速圓周運動洛倫茲力提供向心力，應用牛頓第二定律可以求出磁感應強度．
（2）求出電子從P點射出時與負y軸方向的夾角極限值，然后確定其范圍．
（3）求出進入小孔的電子偏角，然后求出每秒經(jīng)過極板K上的小孔到達板A的電子數(shù)．
（4）由動能定理求出遏制電壓，然后求出電流的表達式，再作出圖象．

解答 解：（1）電子均從P點射出，電子做圓周運動的軌道半徑：r=R，
電子在磁場中做勻速圓周運動洛倫茲力提供向心力，由牛頓第二定律得：evB=m$\frac{{v}^{2}}{r}$，
解得：$B=\frac{mv}{eR}$；
（2）上端電子從P點射出時與負y軸最大夾角θ_m，由幾何關系可得$sin{θ_m}=\frac{R}$，
得：θ_m=60°．
同理下端電子從P點射出時與負y軸最大夾角也為60°，范圍是-60°≤θ≤60°；
（3）進入小孔的電子偏角正切值：$tanα=\frac{l}qs4m8co$，
解得：α=45°，$y'=Rsinα=\frac{{\sqrt{2}}}{2}R$，
每秒進入兩極板間的電子數(shù)n：$\frac{n}{N}=\frac{y'}=\frac{{\sqrt{6}}}{3}=0.82$，
解得：n=0.82N；
（4）由動能定理得出遏制電壓U_c，${U_c}=-\frac{1}{2e}m{v^2}$
與負y軸成45°角的電子的運動軌跡剛好與A板相切，其逆過程是類平拋運動，
達到飽和電流所需的最小反向電壓為：$U'=-\frac{1}{4}em{v^2}$，
或根據(jù)（3）可得飽和電流大小為：i_max=0.82Ne，圖象如圖所示：

答：（1）磁感應強度B的大小為$\frac{mv}{eR}$；
（2）電子流從P點射出時與負y軸方向的夾角θ的范圍是-60°≤θ≤60°；
（3）當U_AK=0時，每秒經(jīng)過極板K上的小孔到達板A的電子數(shù)為0.82N；
（4）電流i隨U_AK變化的關系曲線如圖所示．

點評 本題考查了電子在磁場與電場中的運動，分析清楚電子運動過程、作出電子運動軌跡、求出電子在磁場中做圓周運動的軌道半徑是解題的關鍵，解題時注意求出極限值然后再確定范圍．