Question

1．喷墨打印机的结构简图如题17图所示．墨盒发出墨汁微滴，其半径约为10^-5m．此微滴经过带电室时被带上负电，带电的多少由计算机按字体笔画高低位置输入信号加以控制．带电后的微滴以一定的初速度进入偏转电场，带电微滴经过偏转电场发生偏转后，打在纸上，显示出字体．无信号输入时，墨汁微滴不带电，径直通过偏转板而注入回流槽流回墨盒．
设偏转板板长为L=1.6cm，两板间的距离为d=0.50cm，偏转板的右端距纸s=3.2cm．若一个墨汁微滴的质量为m=1.6×10^-10kg，以v₀=20m/s的初速度垂直于电场方向进入偏转电场，两偏转板间的电压是U=8.0×10³V，若墨汁微滴打到纸上点距离原射入方向的距离是y=2.0mm．

（1）求这个墨汁微滴通过带电室带的电量q的大小是多少？（不计空气阻力和重力，可以认为偏转电场只局限在平行板电容器内部，忽略边缘电场的不均匀性．）
（2）为了使纸上的字体放大20%，在不改变偏转电极极板长度L和极板间间距d的情况下，请你分析提出一个可行的方法．

Answer 1

分析 （1）墨汁在偏转电场中做类平抛运动，根据水平方向的运动求出时间，根据竖直方向上的运动求出出电场时的偏转位移，根据出电场时速度的反向延长线经过偏转电场中轴线的中心，根据相似三角形求出打到纸上的点距原射入方向的距离与电荷电量的关系，从而求出电量的大小．
（2）为了使纸上的字放大10%，根据第（1）问中打到纸上的点距原射入方向的距离与电荷电量的关系式，确定解决的方法．

解答 解：（1）粒子在偏转电场中的运动时间为：$t=\frac{L}{v_0}=\frac{0.016}{20}=8×{10^{-4}}s$
粒子在偏转电场中的偏转距为：${y^'}=\frac{1}{2}\frac{1qU}{md}{t^2}$
粒子射出偏转电场后打在纸上的距离，由相似三角形可知：$\frac{y}{y′}$=$\frac{\frac{L}{2}+s}{\frac{L}{2}}$
联立上式可得 $y=\frac{qUL}{mdν_0^2}[\frac{L}{2}+s]$
即：$2.0×{10^{-3}}=\frac{{q×8.0×{{10}^3}×0.016}}{{1.6×{{10}^{-10}}×0.5×{{10}^{-2}}×{{20}^2}}}[\frac{0.016}{2}+0.032]$
得：q=1.25×10^-13C
（2）由题意可知应该使得打在纸上的距离为原来距离的1.2倍．
由以上公式可得：可以提高偏转板间的电压到9.6×10³V，或增加偏转板与纸的距离s=4.0cm，实现字体放大1.2倍．
答：（1）这个墨汁微滴通过带电室带的电量q的大小1.25×10^-13C
（2）提高偏转板间的电压到9.6×10³V，或增加偏转板与纸的距离s=4.0cm，

点评 解决本题的关键墨汁在偏转电场中做类平抛运动，在水平方向上做匀速直线运动，在竖直方向上做初速度为零的匀加速直线运动，以及掌握推论：粒子离开电场时速度的反向延长线经过偏转电场中轴线的中心．