人教版（2019）必修第三册10.5 带电粒子在电场中的运动（共37张ppt）

(共37张PPT)
10.5 带电粒子在电场中的运动
第1课时
电子被加速器加速后轰击重金属靶时，会产生射线，可用于放射治疗。
在原子物理、核物理等领域，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。
带电粒子加速器中是受到什么力的作用而加速的呢
带电粒子在电场中通常要受到重力和电场力
★研究质子、电子、离子等带电粒子在电场中运动时，重力一般远小于电场力，重力可以忽略，重力势能可以不考虑。（但并不能忽略质量）
★研究小球、液滴、油滴等带电微粒在电场中运动时，重力一般不能忽略。
几种常见粒子：
电子：
质子：
α粒子：e
质量数
电荷数
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．
带电粒子在电场中加速
★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
1、动力学观点：
A
B
U
d
E
+
F
v
由牛顿第二定律：
由运动学公式：
初速度不为零呢？
电场力:F =qE
【例1】在电压为U处于真空中相距d 的平行金属板间有一正电荷q, 质量为m,只在电场力作用下从静止释放，电荷将做什么运动？到达B 板的速度多大？
v2-0=2ad
只适用于匀强电场
2、能量观点：
A
B
U
d
E
+
v
由动能定理：
适用于任何电场
电场力做功:W=qU
初速度不为零呢？
用动能定理解题简便
由于电场力做功，与电场是否匀强无关,与运动路径也无关，所以在处理电场对带电粒子的加速问题时，一般都是利用动能定理进行处理。
q
U
m
+
_
带电粒子的加速
d
1、动力学观点：
v2-0=2ad
2、能量观点：
(匀强电场)
(任何电场)
带电粒子在交变电场中的运动
（1）0~t0时间内粒子做什么运动？运动方向如何，求t0时刻速度
（2）t0~2t0粒子做什么运动？运动方向如何，求2t0时刻速度
（3）2t0~3t0、3t0~4t0如何运动
（4）何时速度最大，何时离出发点最远
往返运动
多级加速
问题：如图多级平行板连接，能否加速离子？
U
＋
＋
＋
－
－
－
A
B
C
D
E
F
【例2】如图甲，某装置由多个横截面积相同的金属圆筒依次排列，其中心轴线在同一直线上，圆筒的长度依照一定的规律依次增加。序号为奇数的圆筒和交变电源的一个极相连，序号为偶数的圆筒和该电源的另一个极相连。交变电源两极间电势差的变化规律如图乙所示。在 t＝0时，奇数圆筒相对偶数圆筒的电势差为正值，此时位于和偶数圆筒相连的金属圆板（序号为 0）中央的一个电子，在圆板和圆筒1之间的电场中由静止开始加速，沿中心轴线冲进圆筒1。为使电子运动到圆筒与圆筒之间各个间隙中都能恰好使静电力的方向跟运动方向相同而不断加速，圆筒长度的设计必须遵照一定的规律。若已知电子的质量为m、电子电荷量为e、电压的绝对值为u，周期为T，电子通过圆筒间隙的时间可以忽略不计。则金属圆筒的长度和它的序号之间有什么定量关系？第n个金属圆筒的长度应该是多少？
解：设电子进入第 n 个圆筒后的速度为v，根据动能定理有
得
第n个圆筒的长度为
圆筒长度跟圆筒序的平方根 成正比，
第 n 个圆筒的长度是
例：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
D
B
10.5 带电粒子在电场中的偏转
第二课时
带电粒子在电场中的偏转
思考：如图，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.
试分析粒子做何种运动？
运动分析及规律应用：
粒子在板间做类平抛运动
(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.
(1)若粒子能穿出极板，求粒子在电场中的运动时间t、发生的偏转位移y、偏转角正切值和射出时的速度
例：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.
(2)若粒子不能穿出极板，怎样求粒子在电场中运动的时间？
1.飞行时间：
2.加速度：
3.竖直分速度：
4.竖直分位移：
5.速度偏转角：
带电粒子在电场中的偏转
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( 　　)
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
结论：不同带电粒子由静止经同一电场加速，再垂直进入同一偏转电场，它们的偏移量y和偏转角θ都是相同的，与m、q的大小无关，但是运动轨迹是否重合，要看电性是否相同。
直线加速场、偏转场组合的偏移量和偏转角结论
例：如图，氢离子、一价氦离子和二价氦离子（即α粒子）的混合物经过同一加速电场由静止开始加速，然后在同一偏转电场里偏转，下列说法正确的是（ ）
A.α粒子的偏移量最大
B. α粒子的偏转角最大
C. 三者的偏转角相同，偏移量不同，轨迹不同
D. 三者的偏转角相同，偏移量相同，轨迹相同
D
U2
U1
直线加速场、偏转场、荧光屏组合的偏移量
（1）动力学分析
①加速场中：作静止开始的匀加速直线运动
②偏转场中：沿v0方向:作匀速直线； 沿电场方向:匀加速直线。
③偏转场和荧光屏之间：沿偏转角方向作匀速直线运动，反向延长线经过
偏转场中心轴线的中点。
（2）荧光屏上的偏移量
例:电荷量为－e、质量为m的电子经电压U1的电场加速，从两极板中点垂直进入平行板电容器中，两极板间的电势差为U2，两极板长为L1，间距为d.电子离开偏转电场后做匀速直线运动，打在距极板为L2的荧光屏上的P点.求：
(1)电子进入偏转电场时的初速度v0
(2)电子飞出偏转电场时沿电场线的偏移量y
(3)P点偏离荧光屏中央O的距离Y.
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
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
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
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
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
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
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
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
示波管的工作原理
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
【课堂检测2】如图所示,两极板与电源相连接,电子从负极板边缘垂直电场方向射入匀强电场,且恰好从正极板边缘飞出,现在使电子射入速度变为原来的两倍,而电子仍从原来位置射入,且仍从正极板边缘飞出,则两极板间距离就变为原来的( )
A.2倍 B.4倍 C. 1/2倍 D. 1/4倍
C
U
vo
【课堂检测3】初速度为2×107m/s的电子沿平行金属板间的中心线射入板中，板长为30cm，相距为4cm，在两板间加上如图所示的正弦交变电压。已知电子的质量为9×10-31Kg，电量为1.6×10-19C，不计电子重力，求：要使所有的电子都能离开电场，图中电压的最大值U0需满足什么条件？
设电子在两板间的运动时间为t
设电子在偏转电压为U0时进入板间