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示波管的结构如图甲所示,它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成,管内抽成真空,两对偏转电极XX΄、YY΄相互垂直。如图乙所示,荧光屏上有xOy直角坐标系,坐标原点位于荧光屏的中心,x轴与电极XX΄的金属板垂直,其正方向由X΄指向X,y轴与电极YY΄的金属板垂直,其正方向由Y΄指向Y。
电子枪中的金属丝加热后可以逸出电子,电子经加速电极间的电场加速后进入偏转电极间,两对偏转电极分别使电子在两个相互垂直的方向发生偏转,最终打在荧光屏上,产生一个亮斑。
已知两对偏转电极极板都是边长为l的正方形金属板,每对电极的两个极板间距都为d,加速电极间电压为U0,电子的电荷量为e,质量为m。忽略电子刚离开金属丝时的速度,不计电子之间相互作用力及电子所受重力的影响。下列各情形中,电子均能打到荧光屏上。
(1)若两个偏转电极都不加电压时,电子束将沿直线运动,且电子运动的轨迹平行每块偏转极板,最终打在xOy坐标系的坐标原点。求电子到达坐标原点前瞬间速度的大小v0
(2)若在偏转电极YY΄之间加恒定电压U1,而偏转电极XX΄之间不加电压,已知电极YY΄的右端与荧光屏之间的距离为L1。求电子打在荧光屏上的位置坐标。
(3)若电极XX΄的右端与荧光屏之间的距离为L2,偏转电极XX΄之间加如图丙所示的扫描电压。当偏转电压发生变化时,可利用下述模型分析:由于被加速后电子的速度较大,它们都能从偏转极板右端穿出极板,且时间极短,此过程中可认为偏转极板间的电压不变。
(i)在偏转电极YY΄之间不加电压时,请说明电子打在荧光屏上,形成亮斑的位置随时间变化的关系;
(ii)在偏转电极YY΄之间加电压
U
y
=
U
m
sin
π
t
1
t
时,请在图丁中定性画出在荧光屏上看到的图形。

【答案】(1)电子到达坐标原点前瞬间速度的大小为
2
e
U
0
m

(2)电子打在荧光屏上的位置与坐标原点之间的距离为
U
1
l
l
+
2
L
4
d
U
0

(3)(i)如解析图a所示,(ii)如解析图b所示。
【解答】
【点评】
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