问题 问答题

自由电子激光器是利用高速电子束射入方向交替变化的磁场,使电子在磁场中摆动着前进,进而产生激光的一种装置.在磁场中建立与磁场方向垂直的平面坐标系xOy,如图8-2-25所示.方向交替变化的磁场随x坐标变化的图线如图8-2-26所示,每个磁场区域的宽度,磁场的磁感应强度大小B=3.75×10-4 T,规定磁场方向垂直纸面向外为正方向.现将初速度为零的电子经电压U=4.5×103 V的电场加速后,从坐标原点沿x轴正方向射入磁场.电子电荷量e=1.6×10-19 C,电子质量m=9×10-31 kg,不计电子的重力,不考虑电子因高速运动而产生的影响.

图8-2-25

图8-2-26

(1)电子从坐标原点进入磁场时的速度大小为多少?

(2)请在图8-2-25中画出x=0至x=4L区域内电子在磁场中运动的轨迹,计算电子通过图8-2-26中各磁场区域边界时位置的纵坐标并在图中标出;

(3)从x=0至x=NLN为整数)区域内电子运动的平均速度大小为多少?

答案

(1)4×107 m/s

(2)见解析

(3)3.82×107 m/s

(1)电子在电场中做加速运动,由动能定理

进入磁场时的速度大小.

(2)如图1所示,进入磁场区域后由洛伦兹力提供向心力

图1

运动半径

y方向上移动的距离

同理可得Δy2y3y4y1="0.3" m

电子的运动轨迹如图2所示.

图2

(3)磁场方向变化N次时

电子在每一磁场中的偏角,所以

电子在每一磁场中的运动时间

在磁场中运动的总时间

电子运动的平均速度

整理并代入数据得.

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