Question

（2005?江苏）如图所示，M、N为两块带等量异种电荷的平行金属板，S₁、S₂为板上正对的小孔，N板右侧有两个宽度均为d的匀强磁场区域，磁感应强度大小均为B，方向分别垂直于纸面向外和向里，磁场区域右侧有一个荧光屏，取屏上与S₁、S₂共线的O点为原点，向上为正方向建立x轴．M板左侧电子枪发射出的热电子经小孔S₁进入两板间，电子的质量为m，电荷量为e，初速度可以忽略．
（1）当两板间电势差为U₀时，求从小孔S₂射出的电子的速度v₀
（2）求两金属板间电势差U在什么范围内，电子不能穿过磁场区域而打到荧光屏上．
（3）若电子能够穿过磁场区域而打到荧光屏上，试在答题卡的图上定性地画出电子运动的轨迹．
（4）求电子打到荧光屏上的位置坐标x和金属板间电势差U的函数关系．

Answer 1

分析：带电粒子在电场中被直线加速，由动能定理可求出粒子被加速后的速度大小，当进入匀强磁场中在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，要使粒子能打在荧光屏上离O点最远，则粒子必须从磁场中垂直射出，由于粒子已是垂直射入磁场，所以由磁感应强度大小相等，方向相反且宽度相同得粒子在两种磁场中运动轨迹是对称的，在磁场中正好完成半个周期，则运动圆弧的半径等于磁场宽度．若不能打到荧光屏，则半径须小于磁场宽度，粒子就不可能通过左边的磁场，也就不会打到荧光屏．所以运动圆弧的半径大于或等于磁场宽度是粒子打到荧光屏的前提条件． 可设任一圆弧轨道半径，由几何关系可列出与磁场宽度的关系式，再由半径公式与加速公式可得出打到荧光屏上的位置坐标x和金属板间电势差U的函数关系．

解答：解：
（1）根据动能定理，得eU0=

1

2

m

v

2 0

由此可解得v0=

2eU0 m

（2）欲使电子不能穿过磁场区域而打到荧光屏上，应有r=

mv

eB

＜d
而eU =

1

2

m

v

2

由此即可解得
U＜

d2eB2

2m

（3）电子穿过磁场区域而打到荧光屏上时运动的轨迹如图所示
（4）若电子在磁场区域做圆周运动的轨道半径为r，穿过磁场区域打到荧光屏上的位置坐标为x，则由（3）中的轨迹图可得x=2r-2

r2-d2

注意到r=

mv

eB

和eU =

1

2

m

v

2

所以，电子打到荧光屏上的位置坐标x和金属板间电势差U的函数关系为
x=

2

eB

(

2emU

-

2emU-d2e2B2

)（U≥

d2eB2

2m

）．

点评：题中隐含条件是：粒子能打到荧光屏离O点最远的即为圆弧轨道半径与磁场宽度相等时的粒子．