2.4 带电粒子在电场中的运动 (2)-高一物理鲁科版必修第三册同步课件(共22张PPT)

(共22张PPT)
2.4 带电粒子在电场中的运动
复习回顾：
1、高一我们重点研究过哪些运动形式？
（1）直线运动——匀速直线运动和匀变速直线运动
（2）曲线运动——平抛运动和匀速圆周运动
2、对这些运动形式的研究主要采用的哪些方法？
（1）动力学方法——牛顿定律和运动学公式
（2）能量方法——动能定理和能量守恒定律
3、不管用哪种方法研究物体的运动必须做的是什么？
对研究对象做好受力分析
示波器和直线加速器等设备通过电场来控制带电粒子的运动。
电场力：
加速度：
电场力做的功：
动能定理：
F=qE
W=qU
研究带电粒子运动的主要工具：
a===
W=qU=mvt2-mv02
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)；
带电粒子的分类
②带电颗粒：如液滴、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。
方法1：动能定理
质子到达负极板时的速度为v
则由动能定理
得
利用电场可以让带电粒子得到加速获得动能和速度。
通过改变两极板间的电压，可以控制带电粒子获得的动能和速度。
一、带电粒子的加速运动
qU=
v=
方法2：牛顿第二定律和运动学公式
质子在电场中的加速度为a
牛顿第二定律:
得
匀强电场中：F=qE
用匀变速直线运动规律，质子运动到负极板时：
也可得到：到负极板时质子的速度：
v2=2ad
v=
各种原因的限制，加速电压难以达到理想水平，只加速一次，带电粒子的动能难以达到实际的需要，因此可以采用多次加速直线加速器、回旋加速器。
我国散裂中子源直线加速器
例1、如图所示，炙热的金属丝可以发射电子。在金属丝和金属板之间加以电压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？设电子刚刚离开金属丝时的速度为0，已知电子电荷量e=-1.6×10-19C，电子的质量m=0.91×10-30kg。
【答案】v=3.0×107m/s
【解析】电子从金属丝到金属板，由动能定理得：eU=mv2
求解得：v==3.0×107m/s
二、带电粒子在电场中的偏转
示波管结构示意图
利用电场使带电粒子的运动方向发生变化，向预期的方向偏转，是控制带电粒子运动的一种常见方式。
运动状态分析：
电场力垂直初速度v0方向
处理问题方法：
化曲为直，分成两个垂直的直线运动
初速度方向上：
匀速直线运动
电场力方向上：
初速为零的匀加速直线运动
分析：板间距为d，电压U，长度L，质子质量为m，电荷量为q，重力不计。
L=v0·t
a=
如图所示，一质子水平射入竖直偏转电场中，由于受到竖直方向静电力的作用，质子射出时将发生偏转。已知质子的质量m，电荷量为q，射入时速度为v0，极板长为l，两极板间距离为d，极板间电压为U，入射方向与极板平行，不考虑重力的影响。求质子离开电场时竖直方向偏移的距离y和偏转的角度α。
1、粒子受到竖直向下的电场力。
2、运动规律分析：粒子作类平抛运动。
x方向：匀速直线运动
y方向：匀加速直线运动。
3、x方向：vx=v0 l= v0t
4、y方向：vy= y=
5、离开电场时的偏转角度的正切：
6、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正切值的。
例2、如图所示，从炽热的金属丝逸出的电子（速度可视为零），经加速电场加速后从两极板中间垂直射入偏转电场。电子的重力不计。在满足电子能射出偏转电场的条件下，下述四种情况中，一定能使电子的偏转角变大的是(　)
A.仅将偏转电场极性对调
B.仅增大偏转电极间的距离
C.仅增大偏转电极间的电压
D.仅减小偏转电极间的电压
C
【解析】设加速电场的电压为U0，偏转电压为U，极板长度为L，间距为d，电子加速过程中，由U0e=，得v0=，电子进入极板间后做类平抛运动，时间t=，加速度a=，竖直分速度vy=at，tanθ==，故可知C正确。
（1）电子枪：发射并加速电子。
（2）偏转电极：YY′使电子束竖直偏转；XX′使电子束水平偏转。
（3）荧光屏：电子束打到荧光屏上能使该处的荧光物质发光。
偏转电极
亮斑
亮斑
电子枪
加速电压
荧光屏
-
+
拓展应用：示波管
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。
偏转电极的不同放置方式：
例3、如图所示，电子（重力可忽略）在电势差U0＝4500V的加速电场中，从左极板由静止开始运动，经加速电场加速后，从右板中央垂直射入电势差U＝45V的偏转电场中，经偏转电场偏转后，打在竖直放置的荧光屏M上，整个装置处在真空中，已知电子的质量m＝9.0×10－31 kg，电荷量大小e＝1.6×10－19 C，偏转电场的板长L1＝10 cm，板间距离d＝1 cm，光屏M到偏转电场极板右端的距离L2＝15 cm。
（1）电子从加速电场射入偏转电场时的速度v0；
（2）电子飞出偏转电场时的偏转距离（侧移距离）y；
（3）电子飞出偏转电场时速度偏转角的正切值tanθ；
（4）电子打在荧光屏上时到中心O的距离Y。
求：
【解析】（1）电子在加速电场中运动，由动能定理得eU0＝mv02，解得v0＝4×107 m/s。
（2）电子在偏转电场中运动，沿初速度方向L1＝v0t，可得t＝2.5×10－9 s，在垂直初速度方向：y＝at2＝2.5×10－3 m＝0.25 cm。
（3）速度偏转角的正切值tanθ＝＝＝＝0.05。
（4）电子离开偏转电场后做匀速直线运动，若沿电场方向的偏移距离为y′，则＝tanθ，所以y′＝0.75 cm，所以Y＝y＋y′＝1 cm。
Thank You !