Question

【題目】如圖所示，在平面內(nèi)，有一電子源持續(xù)不斷地沿正方向每秒發(fā)射出個(gè)速率均為的電子，形成寬為、在軸方向均勻分布且關(guān)于軸對稱的電子流。電子流沿方向射入一個(gè)半徑為，中心位于原點(diǎn)的圓形勻強(qiáng)磁場區(qū)域，磁場方向垂直平面向里，電子經(jīng)過磁場偏轉(zhuǎn)后均從點(diǎn)射出，在磁場區(qū)域的正下方有一對平行于軸的金屬平行板K和A，其中板與點(diǎn)的距離為，中間開有寬度為且關(guān)于軸對稱的小孔。K板接地，A與K兩板間加有正負(fù)、大小均可調(diào)的電壓，穿過K板小孔到達(dá)A板的所有電子被收集且導(dǎo)出，從而形成電流。已知，，電子質(zhì)量為，電荷量為，忽略電子間相互作用。

(1)求磁感應(yīng)強(qiáng)度的大��；

(2)求電子從點(diǎn)射出時(shí)與負(fù)軸方向的夾角的范圍；

(3)當(dāng)時(shí)，每秒經(jīng)過極板K上的小孔到達(dá)極板A的電子數(shù)；

(4)求為多大時(shí)，板間的電流為0。

Answer 1

【答案】(1)；(2)；(3) ；(4)

【解析】

(1)所有電子均從點(diǎn)射出，說明電子做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑與磁場的半徑相等，根據(jù)洛倫茲力提供向心力求解出磁感應(yīng)強(qiáng)度；

(2)畫出臨界圓的軌跡，根據(jù)幾何知識求解電子從點(diǎn)射出時(shí)與負(fù)軸方向的夾角的范圍；

(3)求出從缺口邊界射入電場的粒子離開磁場時(shí)與軸負(fù)方向的夾角，從而求解出對應(yīng)的進(jìn)入磁場時(shí)電子源的高度，該高度與電子源的總高度的比等于射入電場的電子數(shù)與總電子數(shù)的比，從而求解出每秒經(jīng)過極板上的小孔到達(dá)極板的電子數(shù)；

(4)根據(jù)動(dòng)能定理求解遏止電壓。

(1)根據(jù)題意可知，電子在磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)的軌道半徑

根據(jù)牛頓第二定律有

解得

(2)運(yùn)動(dòng)軌跡圖如下：

，

上端電子從點(diǎn)射出時(shí)與負(fù)軸最大夾角，由幾何關(guān)系有

解得

同理下端電子從點(diǎn)射出與負(fù)軸最大夾角也是，所以電子從點(diǎn)射出時(shí)與軸負(fù)方向的夾角的范圍是

(3)進(jìn)入小孔的電子速度與軸間夾角正切值最大為

解得

此時(shí)對應(yīng)的能夠進(jìn)入平行板內(nèi)電子長度為，根據(jù)幾何關(guān)系知

設(shè)每秒能到達(dá)板的電子數(shù)為，則由比例關(guān)系知

解得

(4)只要豎直向下的電子達(dá)不到板，其它電子一定達(dá)不到，此時(shí)的電壓大小為，根據(jù)動(dòng)能定理得

解得

下極板帶負(fù)電。