Question

显像管是电视机的重要部件，在生产显像管的阴极时，需要用到去离子水。如果去离子水的质量不好，会导致阴极材料中含有较多的SO₄^2－离子，用这样的阴极材料制作显像管，将造成电视机的画面质量变差。显像管的简要工作原理如图所示：阴极K发出的电子（初速度可忽略不计）经电压为U的高压加速电场加速后，沿直线PQ进入半径为r的圆形匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面，圆形磁场区域的圆心O在PQ直线上，荧光屏M与PQ垂直，整个装置处于真空中。若圆形磁场区域内的磁感应强度的大小或方向发生变化，都将使电子束产生不同的偏转，电子束便可打在荧光屏M的不同位置上，使荧光屏发光而形成图象，其中Q点为荧光屏的中心。不计电子和SO₄^2－离子所受的重力及它们之间的相互作用力。⑴已知电子的电量为e，质量为m_e，求电子射出加速电场时的速度大小；⑵在圆形磁场区域内匀强磁场的磁感应强度大小为B时，电子离开磁场时的偏转角大小为θ（即出射方向与入射方向所夹的锐角，且θ未知），请推导tan的表达式；⑶若由于去离子水的质量不好，导致阴极材料中含有较多的SO₄^2－离子，使得阴极在发出电子的同时还发出一定量的SO₄^2－离子，SO₄^2－离子打在荧光屏上，屏上将出现暗斑，称为离子斑。请根据下面所给出的数据，通过计算说明这样的离子斑将主要集中在荧光屏上的哪一部位。（电子的质量m_e=9.1×10^-31kg， SO₄^2－离子的质量m_so=1.6×10^-25kg）
                                                                             

Answer 1

（18分）（1）设电子经电场加速后的速度为v，对于电子被电场加速的过程运用动能定理有 ……………………………………………………………（3分）解得 ……………………………………………………………………（2分）（2）电子进入磁场后做匀速圆周运动，设电子在磁场中的运动半径为R，根据洛仑兹力公式和牛顿第二定律有 ……………………………（3分）解得 = ……………………………（2分）根据如图所示的几何关系可知tan=…………………………………（4分） （3）由第（2）问的结果可知，若SO₄^2－离子（电荷量大小为2e）通过圆形磁场区后的偏转角度为，则…………………………………………（1分）所以………………………………………………（1分）即SO₄^2－离子的偏转角远小于电子的偏转角，所以，观看到的离子斑将主要集中在荧光屏上的中央位置附近。………………………………………………………………………（2分）