高中 | 示波管 题目答案及解析

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选修3-1

第一章 静电场

1.9 带电粒子在电场中的运动

示波管

有一种电子仪器叫作示波器,可以用来观察电信号随时间变化的情况。示波器的核心部件是示波管,图甲是它的原理图。它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成,管内抽成真空。电子枪的作用是产生高速飞行的一束电子。如果在偏转电极$XX'$之间和偏转电极$YY'$之间都没有加电压,电子束从电子枪射出后沿直线运动,打在荧光屏中心,在那里产生一个亮斑。如果示波管的$YY'$偏转电极上加的是如图丙所示的待测的信号电压,$XX'$偏转电极接入仪器自身产生的如图丁所示的锯齿形扫描电压,电子质量为$m$,带电量为$−e$,初速度为$0$,加速电压为$U_{1}$$YY'$之间的距离为$d_{1}$,左右方向长度为$l_{1}$$XX'$之间的距离为$d_{2}$,左右方向的长度为$l_{2}$$X'$右侧到荧光屏的距离为$l_{3}$。电子在示波管中的运动时间远小于$T$,不计偏转电极$XX'$$YY'$之间的水平距离,求

  

$0\sim T$内任意时刻$t$荧光屏上的亮斑的$x$坐标;

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$x=\\dfrac{\\left( l_{2}+2l_{3} \\right)l_{2}U_{3}(2t-T)}{4U_{1}d_{2}T}$

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设电子在加速电场中被加速后的速度为$v_{0}$,则有$eU_{1}=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$

故偏转电极$XX'$之间的电压为$U_{{XX}'}=\dfrac{2t}{T}U_{3}-U_{3}$

电子在偏转电极$XX'$之间运动加速度$a_{x}=\dfrac{eU_{{X}{X}'}}{md_{2}}$

运动时间$t_{x}=\dfrac{l_{2}}{v_{0}}$

$v_{x}=a_{x}t_{x}$$\tan\alpha=\dfrac{v_{x}}{v_{0}}$

$x=\dfrac{1}{2}a_{x}t_{x}^{2}+l_{3}\tan\alpha$(或$x=\left( \dfrac{l_{2}}{2}+l_{3} \right)\tan\alpha$

解得$x=\dfrac{\left( l_{2}+2l_{3} \right)l_{2}U_{3}(2t-T)}{4U_{1}d_{2}T}$

$0\sim T$内任意时刻$t$荧光屏上的亮斑的$y$坐标;

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$y=\\dfrac{\\left( l_{1}+2l_{2}+ 2l_{3} \\right)l_{1}U_{2}\\sin\\left( \\dfrac{2\\pi}{T}t \\right)}{4U_{1}d_{1}}$

"]]

偏转电极$YY'$之间电压$U_{{Y}{Y}'}=U_{2}\sin\left( \dfrac{2\pi}{T}t \right)$

电子在偏转电极$YY'$之间运动加速度$a_{y}=\dfrac{eU_{{Y}{Y}'}}{md_{1}}$

运动时间$t_{y}=\dfrac{l_{1}}{v_{0}}$

$v_{y}=a_{y}t_{y}$$\tan\theta=\dfrac{v_{y}}{v_{0}}$

$y=\dfrac{1}{2}a_{y}t_{y}^{2}+\left( l_{2}+l_{3} \right)\tan\theta$(或$y=\left( \dfrac{l_{1}}{2}+l_{2}+l_{3} \right)\tan\theta$

解得$y=\dfrac{\left( l_{1}+2l_{2}+2l_{3} \right)l_{1}U_{2}\sin\left( \dfrac{2\pi}{T}t \right)}{4U_{1}d_{1}}$

由于$T$比视觉暂留时间(约为$0.1\;\rm s$)小得多,所以观察者在荧光屏上看到的是稳定的亮线,请在坐标纸上画出$x$$y$坐标轴,先求出$x$$y$坐标的最大值,再画出亮线的图像。

  

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见解析

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$x=\dfrac{\left( l_{2}+2l_{3} \right)l_{2}U_{3}(2t- T)}{4U_{1}d_{2}T}$可知,$0\sim T$内当$t=T$$x$坐标达到最大值$x_{\rm{m}}=\dfrac{\left( l_{2}+2l_{3} \right)l_{2}U_{3}}{4U_{1}d_{2}}$

$y=\dfrac{\left( l_{1}+2l_{2}+2l_{3} \right)l_{1}U_{2}\sin\left( \dfrac{2\pi}{T}t \right)}{4U_{1}d_{1}}$可知,$0\sim T$内当$t=\dfrac{T}{4}$$y$坐标达到最大值$y_{\rm{m}}=\dfrac{\left( l_{1}+2l_{2}+2l_{3} \right)l_{1}U_{2}}{4U_{1}d_{1}}$

故图像为

  

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如图所示,示波管由电子枪、竖直方向偏转电极、水平方向偏转电极和荧光屏组成。电极的长度为、间距为、极板间电压为,电极的右边缘距荧光屏的水平距离为。极板间电压为零,电子枪加速电压为。电子刚离开金属丝的速度为零,从电子枪射出后沿方向进入偏转电极。已知电子电荷量为,质量为,则电子 示波器的核心部件是示波管,它由电子枪、偏转电极、荧光屏组成。某示波管示意图如图所示,炽热的金属丝可以连续发射出电子(初速度视为零),电子经加速电场加速后沿中央轴线垂直进入偏转电场,加速电压,偏转电场由两对偏转电极、组成,位置如图所示,均以为中央轴线,极板长度均为,极板与的间距、极板与的间距均为。电子穿出偏转电场后做匀速直线运动,直到打在荧光屏上,极板右边缘到荧光屏距离,为荧光屏正中心,并在荧光屏上建立坐标系。已知电子质量、电荷量,不计电子受到的重力和电子之间的相互作用力,极板与,极板与极板间的匀强电场互不影响,忽略电场边缘效应。 示波器是一种重要的电子测量仪器,其核心部件是示波管,示波管的原理示意图如图所示。如果在电极之间所加的电压及在电极之间所加的电压分别按图中实线及虚线所示的规律变化,则在荧光屏(轴上单位长度相等)上呈现出来的图形是 示波器中的示波管是利用电场来控制带电粒子的运动。如图甲所示,电子枪释放的无初速度电子被的电场加速后进入偏转系统,若只考虑电子沿(竖直)方向的偏转情况,偏转系统可以简化为如图乙所示的偏转电场,偏转电极的极板长为,两板间距离为,极板右端与荧光屏的距离为,当在偏转电极上加如图丙所示的电压时,电子在荧光屏产生亮线的最大长度为。所有电子均能从极板射出打中荧光屏,且电子穿过极板的时间极短,可认为穿越过程中极板电压不变。已知电子的质量为,电荷量为,重力不计。求: 示波器的主要部件是示波管,示波管可简化为电子枪、偏转电极和荧光屏三部分。如图所示,某示波管的电子枪加速电压为,偏转电极板长和板间距均为,偏转电极右侧到荧光屏的距离为。当偏转电压为零时,电子刚好打到荧光屏的中心点,现加上偏转电压。已知电子的比荷为。求: 在“练习使用示波器”的实验中:
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