Question

示波管是示波器的核心部分，它主要由電子槍、偏轉系統和熒光屏三部分組成，如圖甲所示．電子槍具有釋放出電子并使電子聚集成束以及加速的作用；偏轉系統使電子束發生偏轉；電子束打在熒光屏形成光跡．這三部分均封裝于真空玻璃殼中．已知電子的電荷量e=1.6×10^-19 C，質量m=0.91×10^-30 kg，電子所受重力及電子之間的相互作用力均可忽略不計，不考慮相對論效應．
（1）電子槍的三級加速可以簡化為如圖乙所示的加速電場，若從陰極逸出電子的初速度可忽略不計，要使電子被加速后的動能達到1.6×10^-16J，求加速電壓U為多大；
（2）電子被加速后進入偏轉系統，若只考慮電子沿Y（豎直）方向的偏轉情況，偏轉系統可以簡化為如圖丙所示的偏轉電場．偏轉電極的極板長l=4.0cm，兩板間距離d=1.0cm，極板右端與熒光屏的距離L=18cm，當在偏轉電極U上加u=480sin100πt V的正弦交變電壓時，如果電子進入偏轉系統的初速度v=3.0×10⁷ m/s，求電子打在熒光屏上產生亮線的最大長度；
（3）如圖甲所示，電子槍中燈絲用來加熱陰極，使陰極發射電子．控制柵極的電勢比陰極低，調節陰極與控制柵極之間的電壓，可控制通過柵極電子的數量．現要使電子打在熒光屏上電子的數量增加，應如何調節陰極與控制柵極之間的電壓．
電子槍中A₁、A₂和A₃三個陽極除了對電子加速外，還共同完成對電子束的聚焦作用，其中聚焦的電場可簡化為如圖丁所示的電場，圖中的虛線是該電場的等勢線．請說明聚焦電場如何實現對電子束的聚焦作用．

Answer 1

【答案】分析：（1）對于電子通過加速電場的過程，電場力做正功，電子的動能增加，由動能定理求解速電壓U．
（2）電子進入偏轉電場中做類平拋運動，由u=480sin100πt V，得到偏轉電場變化的周期T=，電子水平方向做勻速直線運動，通過偏轉電場的時間為t=，由于T＞＞t，可認為每個電子通過偏轉電場的過程中，電場可視為穩定的勻強電場．運用運動的分解法，由牛頓第二定律和運動學結合求解電子的最大偏轉量，即可得到電子打在熒光屏上產生亮線的最大長度；
（3）由題，調節陰極與控制柵極之間的電壓，可控制通過柵極電子的數量．控制柵極的電勢比陰極低，要使打在熒光屏上電子數目增加，應將陰極與控制柵極之間的電壓調低．由電場線方向與等勢線垂直，確定電子在聚焦電場中所受的電場力方向，分析電子的運動情況，即可分析聚焦電場對電子束的聚焦作用．
解答：解：（1）對于電子通過加速電場的過程，根據動能定理有：eU=E_k
解得U==1.0×10³ V
（2）由u=480sin100πt V，可知偏轉電場變化的周期T=，而t=，因T＞＞t，可見每個電子通過偏轉電場的過程中，電場可視為穩定的勻強電場．
設偏轉電場電壓為U₁時，電子剛好飛出偏轉電場，此時電子沿電場方向的位移為，
根據牛頓定律和運動學公式有，
解得=320V．
所以，為使電子能打在熒光屏上，所加偏轉電壓應小于320V．
當加在偏轉電極上的偏轉電壓為u=480sin100πt V時，且電子剛好飛出偏轉電場，電子沿電場方向的最大位移恰為，設電子射出偏轉電場的速度與初速度方向的最大夾角為θ，
則  tanθ==0.25
電子打在熒光屏上的最大偏移量
由對稱性可得電子打在熒光屏產生亮線的最大長度為2Y_m=10cm
（3）現要使打在熒光屏上電子數目增加，應將陰極與控制柵極之間的電壓調低．
聚焦電場如圖所示，由力和運動的關系可知：電子在沿示波管中心軸線所受電場力與電子沿此方向速度相反，電子沿示波管中心軸線方向做減速運動；電子在垂直波管中心軸線方向受電場力指向中心軸線，在此方向電子做加速運動．由對稱性可知電子束有向著中心會聚的特點，適當調節電場可以使電子束聚焦在中心軸線上一點，因此這樣的電場分布將對射入的發散的電子束有會聚作用．
答：
（1）加速電壓U為1.0×10³ V．
（2）電子打在熒光屏上產生亮線的最大長度是10cm．
（3）要使打在熒光屏上電子數目增加，應將陰極與控制柵極之間的電壓調低．
點評：本題中帶電粒子先加速后偏轉，運用動能定理求解加速電壓，運用運動的分解法研究類平拋運動，都是常用的思路，關鍵是分析隱含的臨界情況，確定出電子的最大偏轉量．