物理人教版（2019）必修第三册10.5 带电粒子在电场中的运动（共28张ppt）

(共28张PPT)
§10.5 带电粒子在电场中的运动
第十章 静电场中的能量
一、新课引入
在现代科学实验和技术设备中，常利用电场来改变或控制带电粒子的运动。对带电粒子在电场中的运动，从受力的角度来看，遵循牛顿运动定律，从做功的角度来看，遵循能的转化和守恒定律．
在原子物理、核物理领域，带电粒子被加速成高能粒子，轰击原子、原子核，帮助人类认识物质微观结构。
北京正负电子对撞机
在医学领域，带电粒子被加速后，轰击金属靶，产生的射线，用于放射治疗。
★研究带电粒子运动的主要工具：
电场力
加速度
电场力的功
动能定理
F=qE
a=F/m
W=qU
一、新课引入
二、带电粒子在电场中的加速
思考：如图所示，在真空中有一对平行金属板，由于接到电池组上而带电，两板间的电势差为U.若一个质量为m、带电荷量为＋q的粒子，在静电力的作用下由静止开始从正极板附近向负极板运动，请思考以下几个问题：
(1)怎样计算它到达负极板时的速度？你有几种方法.
(2)如果换成非匀强电场，上述方法和结果是否仍然适用？为什么？
(3)如果沿不同的路线，粒子到达负极板的速率相同吗？为什么？
二、带电粒子在电场中的加速
（阅读教材思考问题——多级直线加速器）
1、设金属圆筒内部没有电场，且每个圆筒间的缝隙宽度很小，电子从圆板由静止开始加速，穿过缝隙的时间可忽略不计。
2、为达到最佳加速效果，需要调节至电子穿过每个圆筒的时间恰为交流电的半个周期。
例1：若电子的质量为m，电荷量为-e，交变电源的电压为U，周期为T，两圆筒间隙的电场可视为匀强电场，圆筒内场强均为0。不考虑电子通过圆筒间缝隙的时间。求：电子进入圆筒n时的速度vn，并计算第n个圆筒的长度Ln。
二、带电粒子在电场中的加速
1.带电粒子的分类及受力特点
(1)电子、质子、α粒子、离子等基本粒子，一般都不考虑重力.
(2)质量较大的微粒：带电小球、带电油滴、带电颗粒等，除有说明或有明确的暗示外，处理问题时一般都不能忽略重力.
二、带电粒子在电场中的加速
2.分析带电粒子在电场中加速的两种思路
(1)利用牛顿第二定律结合匀变速直线运动公式分析.只适用于电场是匀强电场.
(2)利用静电力做功结合动能定理分析. qU＝ 适用于任何电场
二、带电粒子在电场中的加速
例2 如图所示，P和Q为两平行金属板，板间有一定电压，在P板附近有一电子(不计重力)由静止开始向Q板运动，下列说法正确的是（ ）
A.两板间距离越大，加速时间越短
B.两板间距离越小，电子的加速度就越小
C.电子到达Q板时的速率，与两板间距离无关，仅
与加速电压有关
D.电子到达Q板时的速率，与加速电压无关，仅与
两板间距离有关
C
二、带电粒子在电场中的加速
练习：质量和电荷量不同的带电粒子，在电场中由静止开始经相同电压加速后（ ）
A、比荷大的粒子速度大，电荷量大的粒子动能大
B、比荷大的粒子动能大，电荷量大的粒子速度大
C、比荷大的粒子速度和动能都大
D、电荷量大的粒子速度和动能都大
A
三、带电粒子在电场中的偏转
思考：如图所示，带电粒子以初速度v0垂直于电场线方向射入两平行板间的匀强电场中.设带电粒子的电荷量为－q、质量为m(不计重力)，平行板长为L，两板间距离为d，电势差为U.
(1)①你认为带电粒子的运动同哪种运动类似，这种运动的研究方法是什么？
②带电粒子在电场中的运动可以分解为哪两种运动？
(2)若粒子能穿出极板，怎样求射出电场的带电粒子在电场中运动的时间t、发生的偏转位移y、偏转角正切值和射出时的速度
思考：如图所示，带电粒子以初速度v0垂直于电场线方向射入两平行板间的匀强电场中.设带电粒子的电荷量为－q、质量为m(不计重力)，平行板长为L，两板间距离为d，电势差为U.
(3)若粒子不能穿出极板，怎样求带电粒子在电场中运动的时间？
三、带电粒子在电场中的偏转
三、带电粒子在电场中的偏转
1.运动分析及规律应用
粒子在板间做类平抛运动，应用运动分解的知识进行分析处理.
(1)在v0方向：做匀速直线运动；
(2)在电场力方向：做初速度为零的匀加速直线运动.
2.两个重要推论
(1)粒子从偏转电场中射出时，其速度方向的反向延长线与初速度方向的延长线交于一点，此点为粒子沿初速度方向位移的中点.
(2)位移方向与初速度方向间夹角α的正切值为速度偏转角θ正切值的，即tan α＝tan θ.
3.分析粒子的偏转问题也可以利用动能定理，即qEy＝ΔEk，其中y为粒子在偏转电场中沿电场力方向的偏移量.
例3 （多选）如图，质量相同的带电粒子P、Q以相同的速度沿垂直于电场方向射入匀强电场中，P从平行板间正中央射入，Q从下极板边缘处射入，它们都打到上极板同一点，不计粒子重力，则(　　)
三、带电粒子在电场中的偏转
A.它们运动的时间相同
B.它们运动的加速度不相等
C.它们所带的电荷量相同
D.静电力对它们做负功
AB
练习：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
三、带电粒子在电场中的偏转
B
三、带电粒子在电场中的偏转
例3　一束电子流经U1＝5000 V的加速电压加速后，在距两极板等距离处垂直进入平行板间的匀强电场，如图所示，两极板间电压U2＝400 V，两极板间距离d＝2.0 cm，板长L1＝5.0 cm.
(1)求电子在两极板间穿过时的偏移量y；
(2)若平行板的右边缘与屏的距离L2＝5 cm，求电子打在屏上的位置与中心O的距离Y(O点位于平行板水平中线的延长线上)；
(3)若另一个质量为m(不计重力)的二价负离子经同一电压U1加速，再经同一偏转电场射出，则其射出偏转电场的偏移量y′和打在屏上的偏移量Y′各是多大？
四、示波管的工作原理
偏转电极的不同放置方式
Y
Y’
-
-
X
X’
-
+
-
若金属平行板水平放置,电子将在竖直方向发生偏转
若金属平行板竖直放置,电子将在水平方向发生偏转
四、示波管的工作原理
1、作用：观察电信号随时间变化的情况
2、组成：示波管（内部是真空的）、电子枪、偏转电极和荧光屏组成。
电子枪
偏转电极
-
+
荧光屏
Y
Y’
X
X’
Y
Y’
X
X’
电子枪
偏转电极
-
+
荧光屏
Y
Y’
X
X’
Y
Y’
X
X’
1.如果在电极XX’之间不加电压,但在YY’之间加不变的电压,使Y的电势比Y’高(有时说这种情况是”Y正、Y’负”),电子束运动过程中受哪个方向的力 电子将打在荧光屏的什么位置
四、示波管的工作原理
电子枪
偏转电极
-
+
荧光屏
Y
Y’
X
X’
Y
Y’
X
X’
2.如果在YY’ 之间不加电压,而在XX’之间加不变的电压, (X正、X’负), 电子将打在荧光屏的什么位置
四、示波管的工作原理
电子枪
偏转电极
-
+
荧光屏
Y
Y’
X
X’
Y
Y’
X
X’
3.如果在XX’ 之间不加电压,而在YY’之间所加的电压按图所示的规律随时间变化，在荧光屏会看到什么图形？
Uy
t
四、示波管的工作原理
四、示波管的工作原理
4.如果YY’之间的电压仍然如图所示，而在XX’ 之间加不变的电压(X正、X’负”), 在荧光屏会看到什么图形？
电子枪
偏转电极
-
+
荧光屏
Y
Y’
X
X’
Y
Y’
X
X’
Uy
t
四、示波管的工作原理
电子枪
偏转电极
-
+
荧光屏
Y
Y’
X
X’
Y
Y’
X
X’
5.如果YY’之间的电压仍然如图所示，而在XX’ 之间所加的电压按图所示, 在荧光屏会看到什么图形？
Uy
t
UX
t
t2
t2
四、示波管的工作原理
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
Uy
t
t2
四、示波管的工作原理
例4 图甲为示波管的原理图.如果在电极yy'之间所加的电压按图乙所示的规律变化，在电极xx' 之间所加的电压按图丙所示的规律变化，则在荧光屏上会看到的图形是（ ）
B
练1.(带电粒子的直线运动)两平行金属板间距离为d，电势差为U，一电子质量为m，电荷量为e，从O点沿垂直于极板的方向射入，最远到达A点，然后返回，如图所示，OA＝L，则此电子具有的初动能是（ ）
D
练2.如图所示，一个平行板电容器充电后与电源断开，从负极板处静止释放一个电子(不计重力)，设其到达正极板时的速度为v1，加速度为a1.若将两极板间的距离增大为原来的2倍，再从负极板处静止释放一个电子，设其到达正极板时的速度为v2，加速度为a2，则（ ）
A.a1∶a2＝1∶1，v1∶v2＝1∶2
B.a1∶a2＝2∶1，v1∶v2＝1∶2
C.a1∶a2＝2∶1，v1∶v2＝
D.a1∶a2＝1∶1，v1∶v2＝
D
练3.(带电粒子的偏转)如图所示，一质量为m、电荷量为q(q>0)的粒子以速度v0从MN连线上的P点水平向右射入大小为E、方向竖直向下的匀强电场中.已知MN与水平方向成45°角，粒子的重力可以忽略，则粒子到达MN连线上的某点时（ ）
C
练4.(多选)如图所示，一个质量为m、带电荷量为q的粒子，从两平行板左侧中点沿垂直场强方向射入，当入射速度为v时，恰好穿过电场而不碰金属板.要使粒子的入射速度变为 仍能恰好穿过电场，则必须再使(不考虑重力)（ ）
A.粒子的电荷量减小为原来的
B.两板间电压减小为原来的
C.两板间距离增大为原来的4倍
D.两板间距离增大为原来的2倍
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