问题 问答题

如图甲所示为汤姆生在1897年测量阴极射线(电子)的比荷时所用实验装置的示意图.K为阴极,A1和A2为连接在一起的中心空透的阳极,电子从阴极发出后被电场加速,只有运动方向与A1和A2的狭缝方向相同的电子才能通过,电子被加速后沿00’方向垂直进人方向互相垂直的电场、磁场的叠加区域.磁场方向垂直纸面向里,电场极板水平放置,电子在电场力和磁场力的共同作用下发生偏转.已知圆形磁场的半径为r,圆心为C.

某校物理实验小组的同学们利用该装置,进行了以下探究测量:

第一步:调节两种场的强弱.当电场强度的大小为E,磁感应强度的大小为B时,使得电子恰好能够在复合场区域内沿直线运动.

第二步:撤去电场,保持磁场和电子的速度不变,使电子只在磁场力的作用下发生偏转,打在荧屏上出现一个亮点P,通过推算得到电子的偏转角为α(CP与OO′下之间的夹角).

求:(1)电子在复合场中沿直线向右飞行的速度;

(2)电子的比荷

e
m

(3)有位同学提出了该装置的改造方案,把球形荧屏改成平面荧屏,并画出了如图乙的示意图.已知电场平行金属板长度为L1,金属板右则到荧屏垂直距离为L2.实验方案的第一步不变,可求出电子在复合场中沿直线向右飞行的速度.第二步撤去磁场,保持电场和电子的速度不变,使电子只在电场力的作用下发生偏转,打在荧屏上出现一个亮点P,通过屏上刻度可直接读出电子偏离屏中心点的距离

.
O/Q
=y.同样可求出电子的比荷
e
m
.请你判断这一方案是否可行?并说明相应的理由.

答案

(1)电子在复合场中二力平衡,即:

eE=evB①

得:v=

E
B

(2)如图所示:其中R为电子在磁场中做圆(弧)运动的圆轨道半径.

所以:θ=

π
2
-
α
2

tanθ=

r
R

又因:evB=m

v2
R

联解以上②③④⑤式得:

e
m
=
E
rB2
tan
α
2

(3)此方案可行,原因如下.

如图设电子在电场中偏转的侧向位移为y′,

y/
y
=
L1
2
L1
2
+L2

电子通过水平电场的时间为:t=

L1
v

电子在电场中偏转的加速度为:a=

eE
m

则侧向位移为y/=

1
2
at2=
1
2
eE
m
(
L1B
E
)2=
eB2
L21
2mE

联立⑦⑧⑨式得:

e
m
=
2E
B2(
L21
+2L1L2)
y

答:(1)电子在复合场中沿直线向右飞行的速度为

E
B

(2)电子的比荷

e
m
E
rB2
tan
α
2

(3)此方案可行.

单项选择题
多项选择题