2.4 带电粒子在电场中的运动-高一物理鲁科版必修第三册同步课件(共36张PPT)

(共36张PPT)
2.4 带电粒子在电场中的运动
第二章
1.我们知道，一个物体所处的高度与测量的起点有关，但两个物体间的高度差却与测量的起点无关。例如，水压，高楼，重力势能的改变量等等，想一想，某点电势的高低与零电势点的选择是否有关？电场中两个点间电势的差值与零电势点的选择是否有关？
【答案】某点电势的高低与零电势点的选择有关。静电力所做的功等于电势能的减少量，即WAB=EpA-EpB，φ= ，则WAB=qφA-qφB，可得 =φA-φB，电场中两个点间电势的差值与零电势点的选择无关。
情景导学
课标要求 素养形成
1.能分析带电粒子在电场中的运动情况 2.能解释相关的物理现象 1.物理观念：知道各种基本粒子的符号、质量、电荷等，知道示波管的主要构造和工作原理。
2.科学思维：运用理想化方法，突出主要因素，忽略次要因素，不计粒子重力。
3.科学探究：通过带电粒子运动规律的分析，培养学生的推理能力及热爱科学的精神;让学生通过讨论和思考得出知识，注重知识的建构过程。
学习目标
1.一个电子的质量为0.91×10-30kg，电荷量e=1.6×10-19C，g取10 m/s2，当它位于E=5×104V/m的电场中时，受到的重力G为多大？受到的静电力F为多大？ 等于多少？你会发现什么？
情景导学
【解析】G=mg=9.1×10-30N，F=qE=8×10-15N， = 1×1015，
电子、质子、离子等微观带电粒子所受重力一般远小于静电力，重力可以忽略(有说明或暗示除外)。
2.一个带正电的粒子以一定的初速度垂直进入水平方向的匀强电场，若不计重力，能否画出粒子在电场中的运动轨迹？
【解析】粒子在电场中做类平抛运动，受力方向总是沿电场线方向，轨迹向右弯曲。
一、带电粒子加速
1.在现代科学实验和技术设备中，常常利用　　 来改变或控制带电粒子的运动。简单情况下，利用　　 使带电粒子加速。
2.分析带电粒子加速问题的两种思路
(1)利用　　　　　 结合匀变速直线运动公式来分析。适用于解决匀强电场且涉及运动时间等描述运动过程的物理量的问题。
(2)利用静电力做功结合　　　　　来分析。适用于解决只涉及位移、速率等动能定理公式中的物理量或非匀强电场的问题。
电场
电场
牛顿第二定律
必备知识
动能定理
二、带电粒子偏转
1.示波管的结构及原理
(1)构造：示波管是示波器的核心部件，由　　　 、偏转电极和 组成，如图所示。
电子枪
荧光屏
荧光屏
(2)工作原理
a.当竖直偏转板、水平偏转板都未加电压时，电子束从电子枪发出后沿　 　 运动，在荧光屏上产生一个亮斑。
b.示波管实际工作时，竖直偏转板、水平偏转板都加电压，打在荧光屏上的亮斑既在竖直方向上偏移也在水平方向上偏移，亮斑的运动就是两个方向运动的　　　 。
直线
合运动
2.带电粒子在电场中的偏转
(1)带电粒子的初速度方向跟匀强电场方向垂直时，带电粒子的运动轨迹是一条　　　 ，类似平抛运动的轨迹。
(2)带电粒子沿平行于平行板电容器的方向射入匀强电场，只在静电力的作用下做类平抛运动：
①运动性质
a.沿初速度方向：　　　　　 。
b.垂直初速度方向：　　　　　 。
抛物线
匀速直线运动
匀加速直线运动
a.偏移距离：因为t= ，a= ，所以偏移距离y= at2= 。
b.偏转角度：因为vy=at= ，所以 tan θ = = 。
②运动规律
1.基本带电粒子在电场中不受重力。(　　)
2.带电粒子仅在电场力作用下运动时，动能一定增加。(　　)
3.带电粒子仅在电场力作用下运动时，运动轨迹一定是直线。(　　)
4.带电粒子在匀强电场中无论是直线加速还是偏转，均做匀变速运动。( 　)
5.示波管电子枪的作用是产生高速飞行的电子束，偏转电极的作用是使电子束发生偏转，打在荧光屏的不同位置。(　　)



√
√
思维诊断
要点一　带电粒子在电场中的直线运动
在真空中有一对平行金属板，由于接上电池组而带电，两板间电势差为U，若一个质量为m、带正电荷量为q的粒子，以初速度v0从正极板附近向负极板运动。
情景探究
试结合上述情境讨论：
1.怎样计算它到达负极板时的速度？
【答案】由动能定理有qU= mv2- mv02 ，得v= 。
2.若粒子带的是负电荷(初速度为v0)，将做匀减速直线运动，如果能到达负极板，则到达负极板时速度大小是多少？
【答案】由动能定理有-qU= mv2- mv02，得v= 。
3.上述问题中，两块金属板是平行的，两板间的电场是匀强电场，如果两金属板是其他形状，中间的电场不再均匀，上面的结果是否仍然适用？为什么？
【答案】结果仍然适用。因为不管是否为匀强电场，静电力做功都可以用W=qU计算，动能定理仍然适用。
1.粒子做直线运动的条件
(1)粒子所受合外力F合=0，粒子静止或做匀速直线运动。
(2)粒子所受合外力F合≠0，且与初速度方向在同一条直线上，带电粒子将做匀加速直线运动或匀减速直线运动。
知识深化
项目 动力学角度 功能关系角度
应用知识 牛顿第二定律以及匀变速直线运动公式 功的公式及动能定理
适用条件 匀强电场，静电力是恒力 匀强电场、非匀强电场;静电力是恒力、变力
2.处理带电粒子在电场中加速问题的两个角度
典例1　如图所示，一个质子以初速度v0=5×106m/s水平射入一个由两块带电的平行金属板组成的区域。两板距离为20cm，设金属板之间电场是匀强电场，电场强度为3×105N/C。质子质量m=1.67×10-27kg，电荷量q=1.60×10-19C。求：
典型例题
(1)质子由板上小孔射出时的速度大小;
(2)若质子刚好不能从小孔中射出，其他条件不变，则金属板之间的电场强度至少为多大？方向如何？
【解析】(1)根据动能定理W= mv12- mv02，
而W=qEd=1.60×10-19×3×105×0.2 J=9.6×10-15 J，
所以v1= = m/s≈6×106 m/s，
质子飞出时的速度约为6×106 m/s。
(2)若质子刚好不能从小孔中射出，根据动能定理-qE'd=0- mv02 ，
则E'= = N/C≈6.5×105 N/C，方向水平向左。
【答案】(1)6×106 m/s　(2)6.5×105 N/C　方向水平向左
特别提醒
带电粒子在电场中的重力问题：
(1)基本粒子：如电子、质子、α粒子、离子等除有说明或有明确的暗示以外，一般都不考虑重力(但并不忽略质量)。
(2)带电颗粒：如液滴、油滴、尘埃、小球等，除有说明或有明确的暗示以外，一般都不能忽略重力。
要点二　带电粒子在电场中的偏转
如图所示，质量为m、电荷量为q的粒子以初速度v0垂直于电场方向射入两极板间，两平行板间存在方向竖直向下的匀强电场，已知板长为l，板间电压为U，板间距为d，不计粒子的重力，假设粒子能飞出极板。
情景探究
请根据上述情境回答下列问题：
1.带电粒子在垂直于电场方向做什么运动？
【答案】匀速直线运动。
2.带电粒子在沿电场方向做什么运动？
【答案】初速度为零的匀加速直线运动。
3.怎样求带电粒子在电场中运动的时间？
【答案】 t= 。
4.粒子所受静电力多大？加速度多大？
【答案】F=q ，a= = 。
5.带电粒子在沿电场方向的偏转距离为多少？
【答案】 y= · = 。
6.粒子离开电场时沿电场方向的速度大小是多少？
【答案】 vy= · = 。
1.带电粒子在匀强电场中偏转的基本规律
初速度方向：vx=v0，l=v0t。
电场线方向：vy=at，y= at2。
知识深化
2.偏转位移和偏转角
(1)粒子离开电场时的偏转位移y = at2= = 。
(2)粒子离开电场时的偏转角 tanθ= = 。
(3)粒子离开电场时位移与初速度夹角的正切值 tanα= = 。
3.两个常用的推论
(1)粒子射出电场时好像从板长l的 处沿直线射出。
(2)位移方向与初速度方向夹角的正切值为速度偏转角正切值的 ，即 tanα= tanθ。
4.运动轨迹：抛物线。
典例2　一束电子流在经U=5000V的加速电压加速后，在距两极板相等位置处垂直进入平行板间的匀强电场，如图所示。若两板间距d=1.0cm，板长l=5.0cm，那么要使电子能从平行板间飞出，两个极板上最大能加多大电压？若使电子打到下板中间，其他条件不变，则两个极板上需要加多大的电压？
典型例题
【答案】400 V　1 600 V
【解析】加速过程，由动能定理得，
eU= mv02 ①
进入偏转电场，电子在平行于板面的方向上做匀速直线运动l=v0t ②
在垂直于板面的方向上做匀加速直线运动
加速度a= = ③
偏转距离y= at2 ④
能飞出的条件为y≤ ⑤
联立①~⑤式解得U‘≤ =400 V
即要使电子能飞出，所加电压最大为400 V。
若使电子打到下板中间，由eU= mv02
a= ， = at2， =v0t
联立解得U″= =1 600 V。
规律方法
带电粒子在电场中运动问题的两种求解思路
1.运动学与动力学观点
①带电粒子初速度方向与电场线共线，则粒子做匀变速直线运动；
②带电粒子的初速度方向垂直电场线，则粒子做类似平抛运动的匀变速曲线运动。
③当带电粒子在电场中做匀变速曲线运动时，一般要采取类似平抛运动的解决方法。
2.功能观点
①若选用动能定理，则要分清有多少个力做功，是恒力做功还是变力做功，同时要明确初、末状态及运动过程中的动能的变化量。
②若选用能量守恒定律，则要分清带电粒子在运动中共有多少种能量参与转化，哪些能量是增加的，哪些能量是减少的。
1.一带电粒子在电场中只受静电力作用时，它不可能出现的运动状态是( 　)
A.匀速直线运动　　　　　　　 B.匀加速直线运动
C.匀变速曲线运动　　　　　　　 D.匀速圆周运动
【解析】因为粒子只受到静电力的作用，所以不可能做匀速直线运动。
A
课堂检测
2.喷墨打印机的简化模型如图所示。重力可忽略的墨汁微滴，经带电室带负电后，以速度v沿垂直于匀强电场方向飞入极板间，最终打在纸上，则微滴在极板间电场中(　)
A.向负极板偏转
B.电势能逐渐增大
C.运动轨迹是抛物线
D.运动轨迹与带电荷量无关
C
【解析】由于微滴带负电，其所受静电力指向正极板，故微滴在极板间电场中向正极板偏转，A项错误。微滴在极板间电场中所受静电力做正功，电势能减小，B项错误。由于极板间电场是匀强电场，静电力不变，故微滴在极板间电场中做匀变速曲线运动，并且轨迹为抛物线，C项正确。微滴所带电荷量影响静电力及其加速度大小，运动轨迹与加速度大小有关，故D项错误。
3.电子以初速度v0沿垂直电场方向射入两平行金属板中间的匀强电场中，现增大两板间的电压，但仍能使电子穿过该电场。则电子穿越平行板间的电场所需时间(　)
A.随电压的增大而减小　　　　　　　 B.随电压的增大而增大
C.与电压无关　　　　　　　 D.不能判定是否与电压有关
【解析】电子以初速度v0沿垂直电场方向射入两平行金属板间的匀强电场后，做类平抛运动，垂直电场方向做匀速直线运动，设板长为l，由于电子始终能穿过电场，则电子穿越电场的时间t= ，与两极板间电压无关，C正确。
C
观
谢
看
谢