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高三一轮复习讲义 广东专版
第十一章 磁场
(2025·陕晋青宁卷·T14)电子比荷是描述电子性质的重要物理量。在标准理想二极管中利用磁控法可测得比荷,一般其电极结构为圆筒面与中心轴线构成的圆柱体系统,结构简化如图(a)所示,圆筒足够长。在O点有一电子源,向空间中各个方向发射速度大小为v0的电子,某时刻起筒内加大小可调节且方向沿中心轴向下的匀强磁场,筒的横截面及轴截面示意图如图(b)所示①,当磁感应强度大小调至B0时,恰好没有电子落到筒壁上②,不计电子间相互作用及其重力的影响。求:(R、v0、B0均为已知量)
典例
(1)电子的比荷③;
答案:
当磁场的磁感应强度为B0时,电子刚好不会落到筒壁上
则电子以速度v0垂直轴线方向射出时,电子在磁场中做匀速圆周运动的轨迹恰好与圆筒壁相切,轨迹半径为R0=
根据洛伦兹力提供向心力可得ev0B0=m
联立解得=。
(2)当磁感应强度大小调至B0时,筒壁上落有电子的区域面积S④。
答案:2π2R2
磁感应强度调整为后,将电子速度沿垂直轴线和
平行轴线方向分解,分别设为vx、vy,电子将在垂
直轴线方向上做匀速圆周运动,平行轴线方向上做
匀速直线运动,电子击中筒壁距离粒子源的最远点
时,其垂直轴线方向的圆周运动轨迹与筒壁相切,则轨迹半径仍为R0=
根据洛伦兹力提供向心力可得evx=m
联立解得vx=
由射出到相切,经过半个周期,用时t==×=
根据速度的合成与分解可知vy==v0
平行轴线方向运动的距离y=vyt=R
结合对称性可知,筒壁上落有电子的区域面积S=2×2πRy=2π2R2。
①由图(b)可知:a.在筒的横截面内,从O点向各个
方向发射电子的速度大小都是为v0;b.在筒的轴截
面内,从O点向各个方向发射电子的速度大小都是
为v0。
②此时以速度v0垂直轴线方向射出的电子的运动轨迹恰好与筒壁相切。
③做匀速圆周运动的电子,满足洛伦兹力提供向心力,即ev0B0=m,由此求解电子的比荷。
④斜向上或斜向下发射的电子都做螺旋线运动,需要将电子速度沿垂直轴线和平行轴线方向分解为vx、vy。a.电子将在垂直轴线方向的平面以vx做匀速圆周运动,有evx=m;b.平行轴线方向上以vy做匀速直线运动,平行轴线方向运动的距离y=vyt。
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