1.9带电粒子在电场中的运动

(共47张PPT)
1能应用静电力、电场强度等概念研究带电粒子在电场中运动时的加速度、速度和位移等物理量的变化。
2能应用静电力做功、电势差、等势面等概念研究带电粒子在电场中运动时的能量转化。
3了解示波管的工作原理，体会静电场知识对科学技术的影响。
物体的初速度和受的合外力决定了物体的运动情况。带电粒子在电场中的运动，常见的有加速、减速、偏转、圆周运动等。规律同力学。和过去学过的力学来比，在受力分析时要增加电场力分析。
电学搭台
力学唱戏
带电粒子在电场中
要受到哪些力的作用
通常要受到重力和电场力
1、一个电子的质量为0.91×10-30 kg, 电荷量e=1.6×10-19 C，当它位于E=5×104V/m的电场中时:
受到的重力G为多大？
受到的电场力F为多大？
F/G=？你会发现什么？
G=mg=9×10-30N
F/G=1×1015
F=qE=8×10-15N
电子、质子、离子等微观带电粒子所受重力一般远小于电场力，重力可以忽略（有说明或暗示除外）。
注意：忽略粒子的重力并不是忽略粒子的质量
3、某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗示或运动状态来判定
电场中的带电体一般可分为两类：
1、带电的基本粒子：如电子，质子，正负离子等。这些粒子所受重力和电场力相比要小得多，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。（但并不能忽略质量）。
2、带电微粒：如带电小球、液滴、油滴、尘埃等。除非有说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。
带电粒子在电场中的运动情况 1.平衡 2.加速或减速 3.偏转
若带电粒子在电场中所受合力为零时，即∑F＝0时，粒子将保持静止状态或匀速直线运动状态。
2、带电粒子在电场中处于静止状态，该粒子带正电还是负电
+ + + + + + +
- - - - - - -
Eq
mg
分析：带电粒子处于静止状态，∑F＝0，Eq=mg，因为所受重力竖直向下，所以所受电场力必为竖直向上。又因为场强方向竖直向下，所以带电体带负电。
若∑F≠0（只受电场力）且与初速度方向在同一直线上，带电粒子将做加速或减速直线运动。(变速直线运动)
以带电粒子的加速为例来说明
如图所示，在真空中有一对平行金属板，两板间加以电压U。两板间有一带正电荷q的带电粒子。它在电场力的作用下，由静止开始从正极板向负极板运动，到达负板时的速度有多大？(不考虑粒子的重力）
q
U
m
+
_
带电粒子的加速
d
带电粒子的加速
+
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
_
_
_
_
_
U
U
E
加速
匀速
匀速
+qm
V0
V=
q
U
m
+
_
带电粒子的加速
d
1、受力分析:
水平向右的电场力
F＝Eq=qU/d
F
2、运动分析:
初速度为零，加速度为a=qU/md的向右匀加速直线运动。
解法一　运用运动学知识求解
解法二　运用能量知识求解
如两极板间不是匀强电场该用何种方法求解？为什么？
由于电场力做功与场强是否匀强无关，与运动路径也无关，第二种方法仍适用！
解:根据动能定理得:
3.炽热的金属丝可以发射电子。在金属丝和金属板间加以电压U=2500V，发射出的电子在真空中加速后，从金属板的小孔穿出。电子穿出时的速度有多大？设电子刚离开金属丝时的速度为零。
电荷量为e的电子从金属丝移动到金属板,
两处的电势差为U，电势能减少量为eU.
减少的电势能全部转化为电子的动能:
解：
4、下列粒子由静止经加速电压为U的电场加速后， 哪种粒子动能最大 （ ）
哪种粒子速度最大 （ ）
A、质子 B、电子
C、氘核 D、氦核
例与练
与电量成正比
与比荷平方根成正比
D
B
三、带电粒子在匀强电场中的偏转
l
d
+
- - - - - - -
+ + + + + + + +
U
v0
q、m
1.q的受力怎样 －q的受力又怎样
2.水平方向和竖直方向的运动性质怎样
3.与学过的哪种运动形式类似
三、带电粒子的偏转
平行电场方向:做初速度为0的匀加速直线运动
垂直电场方向:做匀速直线运动
带电粒子沿垂直电场的方向进入匀强电场,做类平抛运动
1、运动的性质：
l
d
+
- - - - - - - - - - -
+ + + + + + + + +
U
v0
q、m
F
+
v
v0
vy
y
θ
偏转角
侧移
两类关系：位移关系与速度关系
θ
x
2、分析
类平抛运动
垂直电场方向:
平行电场方向:
偏移距离
偏转角
3、推论⑴：带电粒子垂直进入偏转电场，离开电场时,粒子好象是从入射线中点直接射出来的。
例与练
θ
x
推论⑵：
例与练
θ
x
α
5、质子(质量为m、电量为e)和二价氦离子(质量为4m、电量为2e)以相同的初动能垂直射入同一偏转电场中，离开电场后，它们的偏转角正切之比为 ，侧移之比为 。
例与练
与电量成正比
与电量成正比
1:2
1:2
6、三个电子在同一地点同时沿同一直线垂直飞入偏转电场。则由此可判断（ 　　 ）
A、 b和c同时飞离电场
B、在b飞离电场的瞬间，a刚好打在下极板上
C、进入电场时，c速度最大，a速度最小
D、c的动能增量最小，a和b的动能增量一样大
例与练
BCD
一个电荷量为-q质量为m的带电粒子，由静止进入一个电压为U1的加速电场加速后，又垂直进入一个电压为U2的偏转电场，经偏转电场偏转后打在荧光屏上,整个装置如图示. (不计粒子的重力).求: (1)出偏转电场时的偏移距离y；
(2)出偏转电场时的偏转角　；
(3)打在荧光屏上时的偏移距离Y.
v0
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
U2 d l
v
y
θ
vy
_
+
U1
-q
m
v0
O
Y
L
θ
三、带电粒子的先加速再偏转后匀速
v0
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
U2 d l
v
y
θ
vy
_
+
U1
-q
m
v0
O
Y
L
经加速电场U1加速后:
经偏转电场U2偏转后:
(1)偏移距离y:
d
mv
ql U
2
0
2
2
=
2
y
(2)偏转角　:
θ
d
mv
qlU
2
0
=
2
tan
q
(3)偏移距离Y:
q
tan
)
L
2
(
l
Y
+
=
d
U
l
U
1
2
2
=
d
U
l
U
1
2
2
4
=
d
U
l
U
1
2
2
θ
7、如图，电子在电势差为U1的加速电场中由静止开始加速，然后射入电势差为U2的两块平行极板间的电场中，入射方向跟极板平行。整个装置处在真空中，重力可忽略。在满足电子能射出平行板区的条件下，下述四种情况中，一定能使电子的偏转角θ变大的是 （ ）
A、U1变大、U2变大 B、U1变小、U2变大
C、U1变大、U2变小 D、U1变小、U2变小
例与练
d
U
l
U
1
2
2
=
B
8、如图所示，二价氦离子和质子的混合体，经同一加速电场加速后，垂直射入同一偏转电场中，偏转后，打在同一荧光屏上，则它们( )
A、侧移距离相同
B、偏转角相同
C、到达屏上同一点
D、到达屏上不同点
ABC
d
U
l
U
y
1
2
2
4
=
带电粒子的偏移量和偏转角由系统决定，而与粒子的质量、电量无关.只要电性相同的带电粒子,在电场中留下的轨迹相同,所以无法将电性相同的粒子分开.
例与练
d
U
l
U
1
2
2
=
tan
q
q
tan
)
L
2
(
l
Y
+
=
d
U
l
U
1
2
2
电子枪
荧光屏
偏转电极
+
-
X
X
、
y
、
y
X
X
、
y
、
y
亮斑
四、示波管原理
1、构成
Y
Y’
X
X’
-
+
-
-
+
-
若金属板水平放置
电子将竖直偏转
若金属板竖直放置
电子将水平偏转
2、偏转电极的放置方式及作用
3、各部分的作用
产生高速飞行的电子束
待显示的电压信号
锯齿形扫描电压
使电子沿Y方向偏移
使电子沿x方向偏移
4、示波管的原理的问题讨论
1、如果在电极XX’之间不加电压，而在YY’之间不加电压，电子将打在荧光屏的什么位置？
电子将做直线运动，打在荧光屏上产生一个亮点
2、如果在电极XX’之间不加电压，而在YY’之间加不变电压，使Y的电势比Y’高，电子将打在荧光屏的什么位置？
电子沿Y方向向上偏移
3、如果在电极XX’之间不加电压，而在YY’之间加不变电压，使Y’的电势比Y高，电子将打在荧光屏的什么位置？
电子沿Y方向向下偏移
4、如果在电极 YY’之间不加电压，但在XX’之间加不变电压，使X的电势比X’高，电子将打在荧光屏的什么位置？
电子沿X方向向里偏移
5、如果在电极 YY’之间不加电压，但在XX’之间加不变电压，使X’的电势比X高，电子将打在荧光屏的什么位置？
电子沿X方向向外偏移
6、如果在电极XX’之间不加电压，但在YY’之间加如图所示的交变电压，在荧光屏上会看到什么图形？
0电子在极板间飞行的时间远小于极板电压变化周期，电子在平行板间运动时认为电压不变，一个时刻，一个电子，一个电压，荧光屏上一个亮点。
7、如果在电极XX’之间不加电压，但在YY’之间加如图所示的交变电压，在荧光屏上会看到什么图形？
t18、如果在YY’之间加如图所示的交变电压，同时在XX’之间加不变电压，使X的电势比X’高，在荧光屏上会看到什么图形？
09、如果在YY’之间加如图所示的交变电压，同时在XX’之间加不变电压，使X的电势比X’高，在荧光屏上会看到什么图形？
t110、如果在YY’之间加如图所示的交变电压，同时在XX’之间加不变电压，使X’的电势比X高，在荧光屏上会看到什么图形？
电子沿Y方向向上向下偏，沿X方向向外偏
11、如果在YY’之间加如图所示的交变电压，同时在XX’之间加锯齿形扫描电压，在荧光屏上会看到什么图形？
X
Y
O
A
B
C
D
E
F
A
B
C
D
E
F
A
B
O
C
t1
D
E
F
t2
12、如果信号电压是周期性的，并且扫描电压与信号电压的周期相同，就可以在荧光屏上得到待测信号在一个周期内随时间变化的稳定图象
电子枪
偏转电极
-
+
荧光屏
Y
Y’
X
X’
Y
Y’
X
X’
UX
t
15、如图所示的示波管，如果在YY’之间加如图所示的交变电压，同时在XX’之间加如图所示的锯齿形电压，使X的电势比X’高，在荧光屏上会看到什么图形？
例与练
Ux
t
O
t1
t2
15、如图所示的示波管，如果在YY’之间加如图所示的交变电压，同时在XX’之间加如图所示的锯齿形电压，使X的电势比X’高，在荧光屏上会看到什么图形？
例与练
Ux
t
O
t1
t2
X
Y
O
0t1小结1：
一、带电粒子的加速
二、带电粒子的偏转
动力学观点
能量观点
类平抛运动
垂直电场方向:
做匀速直线运动
平行电场方向:
做初速度为零的匀加速直线运动　
带电粒子在匀强电场中的运动，跟重物在重力场中的运动相似(有时像自由落体运动，有时像抛体运动，依初速度是否为0而定)，但有区别