综合题20.0分
物理

26.如图所示,匀强磁场的磁感应强度为B,方向垂直纸面向里,MN为其左边界.磁场中放置一半径为R的圆柱形金属圆筒,圆心OMN的距离OO1=2R,金属圆筒轴线与磁场平行.金属圆筒用导线通过一个电阻r0接地,最初金属圆筒不带电.现有一电子枪对准金属圆桶中心O射出电子束,电子束从静止开始经过加速电场后垂直于左边界MN向右射入磁场区,已知电子质量为m,电量为e.电子重力忽略不计.求:

(1)最初金属圆筒不带电时,则

a.当加速电压为U时,电子进入磁场时的速度大小;

b.加速电压满足什么条件时,电子能够打到圆筒上;

(2)若电子束以初速度v0进入磁场,电子都能打到金属圆筒上(不会引起金属圆筒内原子能级跃迁),则当金属圆筒上电量达到相对稳定时,测量得到通过电阻r0的电流恒为I,忽略运动电子间的相互作用和金属筒的电阻,求此时金属圆筒的电势φ和金属圆筒的发热功率P.(取大地电势为零)

                     

正确答案及相关解析

正确答案

(1)a、 ,b、当时,电子能够打到圆筒上。     (2) 、

解析

a.设电子经过电场加速后的速度为v1

由动能定理                 得

b.令电子恰好打在圆筒上时,加速电压为U0

设电子进入磁场时速度为v2,轨道半径为r,做出电子的轨迹如图所示,O2为轨道的圆心。

由几何关系得:

根据

                         得                  所以当时,电子能够打到圆筒上。  ……………1分

(2) 当圆筒上的电量达到相对稳定时,圆筒上的电荷不再增加,此时通过r0的电流方向向上。

圆筒跟地面间的电压大小

可得

考查方向

考查带电粒子群在匀强磁场中的匀速圆周运动及运动轨迹的分析计算。

解题思路

由动能定理可以得到电子进入磁场的速度。

要使电子能够打到圆筒上就得对电子进行受力分析和运动轨迹分析找到临界条件。

圆筒的电势可根据电阻的电流电阻求得。

金属圆通的发热功率则需要更具能量守恒,

易错点

不清楚一个带电粒子与一群带电粒子在匀强磁场中运动的区别。

对带电粒子匀速圆周运动的几何轨不清楚。