1.9带电粒子在电场中的运动（教学课件）(共41张PPT)——高中物理教科版（2019）必修第三册

(共41张PPT)
第一章 静电场
1.9带电粒子在电场中的运动
教科版（2019）高中物理必修第三册
目 录
1
2
3
4
新课导入
学习目标
新课讲解
经典例题
5
课堂练习
6
课堂小结
现代医学中，常使用医用粒子直线加速器产生的高速粒子轰击癌细胞，以治疗癌症，其工作原理有两种：
思考：电子在加速器中是受到什么力而加速的？
（2）“电子束放射疗法”：用被加速的电子轰击重金属靶，产生放射线用于医学治疗。
（1）“质子放射疗法”：先将质子加速到具有较高的能量，再使其攻击肿瘤，杀死癌细胞。
学习目标
1. 通过观察光的偏振现象，知道光是横波。
2. 知道偏振光和自然光的区别，能运用偏振知识解释生活中的一些常见光学现象。
3. 了解激光的特性，能举例说明激光技术在生产生活中的应用。
一、带电粒子的加速
问题1：
物体在重力场中仅受重力作用时可能做哪些运动？
自由落体运动
竖直上抛运动
竖直下抛运动
平抛运动
斜抛运动
问题2：带电粒子在匀强电场中仅受电场力作用时可能做哪些运动？
匀加速直线运动
类平抛运动
类斜抛运动
匀减速直线运动
要考虑重力吗？
F
F
F
F
v
-
+
E
v
-
+
E
匀减速
匀加速
匀减速
匀加速
如何使带电粒子在电场中加速而不改变它的运动方向呢？
U
+q
m
+
_
d
在真空中有一对平行金属板，由于接到电池组上带电，两板间的电势差为U，板间距离为d,若一个质量为m、带正电荷为q的粒
子，静止放在左极板附近，将会怎样呢？
F电
U
+q
m
+
_
d
v
1.受力分析：水平向右的电场力。
2.运动分析：初速度为零，向右的匀
加速直线运动。
F电＝ Eq = qU/d
解法一：力和运动的关系
U
+q
m
+
_
d
F电
v
U
+q
m
+
_
d
F电
v
解法二：动能定理
哪种解法更好呢？
结论：1.解法一只适用于匀强电场。
2.解法二适用于一切电场。
3.若带电粒子的m,q不变，则在电场中
加速得到的速度只与加速电压有关系。
与板间距离d没有关系。
二、带电粒子在匀强电场中的偏转
+
-
d
F
M
Ⅰ
Ⅲ
Ⅱ
加速电场
偏转电场
无电场
+
+
-
-
匀加速直线运动
类平抛运动
匀速直线运动
+
-
d
F
M
Ⅰ.加速电场
+
+
-
-
匀加速直线运动
分析：电子从阴极运到到阳极的过程中，由动能定理得：
+
-
d
F
M
Ⅱ.偏转电场
+
+
-
-
类平抛运动
分析：电子在偏转电场做类平抛运动
水平方向
竖直方向
N
P
速度偏向角正切值
位移偏向角正切值
速度偏向角正切值是位移偏向角正切值的2倍.
直角ΔMNP中
P点瞬时速度的反向延长线通过此时水平位移的中点.
+
-
d
F
M
+
+
-
-
N
P
Ⅲ.无电场
匀速直线运动
Q
O
O'
分析：电子飞离电场做匀速直线运动
水平方向
竖直方向
H
+
-
d
F
M
+
+
-
-
N
P
Q
O
O'
分析：侧移距离H
H
方法一：
方法二：
直角ΔMO'Q中
方法三：
ΔMNP∽ΔMO'Q 即
H=
多级加速问题
思考1：如图多级平行板连接，间隙等宽，能否给电子加速？
U
＋
＋
＋
－
－
－
1
2
3
4
5
6
S
E
E
E
E
E
思考2：如图多级平行板连接，间隙等宽，怎样能给电子加速？
U
＋
－
＋
－
1
2
3
4
5
6
S
E
E
E
E
E
＋
－
－
＋
－
＋
交流电
内部场强为0
多级加速问题
（1）依次穿过极板间隙的速度一样吗？
（2）穿过极板内部做何运动？
（3）普通交流电的频率是变化的还是不变的？
不变
若穿过极板间隙的时间可忽略，上图装置如何改进？
匀速直线
越来越大
依次穿过极板内部的时间一样吗？
越来越少
要求穿过极板的时间
相等
多级直线加速器示意图
U
O
u0
-u0
t
T
2T
U
~
＋
－
思考：若穿过极板间隙的时间可忽略，则穿过每个极板内部的时间为多少？
三、示波器原理
示波器：用来观察电信号随时间变化的电子仪器
其核心部分是示波管
加速电压
电子枪
偏转电极
亮斑
荧光屏
电子枪
产生高速飞行的电子束
加速电压
两端加待显示的电压信号，使电子沿Y方向偏移
锯齿形扫描电压，使电子沿X方向偏移
亮斑
Y
Y＇
X
X＇
+
-
+
-
偏转电极的不同放置方式
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
-
v0
-
v0
示波管
加速电压
电子枪
偏转电极
荧光屏
亮斑
加速电压
电子枪
偏转电极
荧光屏
亮斑
示波管
加速电压
电子枪
偏转电极
荧光屏
亮斑
示波管
加速电压
电子枪
偏转电极
荧光屏
亮斑
示波管
加速电压
电子枪
偏转电极
荧光屏
锯齿形扫描电压
亮线
示波管
亮线
如果YY 上接的待测信号电压是周期性的，且周期与扫描电压周期相同，
则荧光屏上会显示待测信号在一个周期内变化的稳定图像
锯齿形扫描电压
亮线
示波管
典例分析
E
例1. 带电粒子由静止释放在电场中运动距离x后的速度为多少？
有哪几种求解方法？
方法1：动力学
由牛顿第二定律：
由运动学公式：
若初速度不为零呢？
方法2：动能定理
由动能定理：
A
+
B
m,q
x
F
U,d
+
﹣
典例分析
例1. 带电粒子由静止释放在电场中运动距离d后的速度为多少？
有哪几种求解方法？
方法1：动力学
方法2：动能定理
E
A
+
B
m,q
x
U
拓展1：若初速度v0方向与电场方向相反，则电荷沿初速度
方向能运动多远？
拓展2：若电场为非匀强电场（如右图），则应如何求速度？
方法1：动力学
方法2：动能定理
方法2：动能定理
v0
F
典例分析
与q成正比
与成正比
例2. 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( )？（其中me = 0.91×10-30kg；mH = 1.67×10-27kg）
A. 质子 B. 电子 C. 氘核 D. 氦核
D
B
典例分析
例3. 如图所示，M、N是在真空中竖直放置的两块平行金属板，质量为m、电量为+q的带电粒子，以极小的初速度由小孔进入电场，当M、N间电压为U时，粒子到达N板的速度为v，如果要使这个带电粒子到达N板的速度为2v ，则下述方法能满足要求的是( )
A. 使M、N间电压增加为2U
B. 使M、N间电压增加为4U
C. 使M、N间电压不变，距离减半
D. 使M、N间电压不变，距离加倍
B
M
N
U
d
+
例4. 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？
思考：电子筒内加速还是间隙加速？
间隙
解：设电子进入第n个圆筒后的速度为v，
根据动能定理有：
∴
第n个圆筒的长度为：
圆筒长度跟圆筒序号的平方根成正比，
第n个圆筒的长度是：
典例分析
例5. 三个α粒子由同一点沿同一方向飞入偏转电场，出现了如图所示的轨迹，由此
可以判断：
A．在b飞离电场的同时，a刚好打在负极板上
B．b和c同时飞离电场
C．进电场时c的速度最大，a的速度最小
D．动能的增加值c最小，a和b一样大
√
×
√
√
典例分析
例6. 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？
课堂练习
1. 真空中有一半径为r0的带电金属球，以球心O为坐标原点沿某一半径方向建立x轴，x轴上各点的电势φ随x的分布如图所示，其中x1、x2、x3分别是x轴上A、B、C三点的位置坐标。根据φ-x图像，下列说法正确的是(　　)
A. 该金属球带负电
B. 电荷量为q的负电荷在B点的电势能比在C点的电势能低|q(φ2-φ3)|
C. A点的电场强度大于C点的电场强度
D. B点的电场强度大小为
B
思考：电势降低方向一定是电场方向吗？
课堂练习
2. 电荷量不等的两点电荷固定在x轴上坐标为-3L和3L两点处，其中坐标为-3L处的点电荷所带电荷量的绝对值为Q，两点电荷连线上各点的电势φ随x变化的关系如图所示，其中x=L处电势最低，x轴上M、N两点坐标分别为-2L和2L，则下列判断正确的是
(　　)
A. 两点电荷一定为异种电荷
B. 负试探电荷由M点运动到N点的过程，电势能先减小后增大
C. 正试探电荷在原点O处受到向左的电场力
D. 原点O处场强大小为
D
课堂练习
3. (多选)一带正电的粒子只在电场力作用下沿x轴正方向运动，其电势能随位移x变化的关系如图所示，其中0~x1段是曲线，x1~x2段是平行于x轴的直线，x2~x3段是倾斜直线，则下列说法正确的是 ( 　　)
A. 0~x1段电势逐渐升高
B. x2~x3段电势沿x轴均匀减小
C. x1~x2段电场强度为零
D. 0~x1段粒子做加速度逐渐减小的加速运动
ABC
课堂练习
4. 静电场方向平行于x轴，将一电荷量为-q的带电粒子在x=d处由静止释放，粒子只在电场力作用下沿x轴运动，其电势能Ep随x的变化关系如图所示。若规定x轴正方向为电场强度E、加速度a的正方向，四幅示意图分别表示电势φ随x的分布、场强E随x的分布、粒子的加速度a随x变化的关系和粒子的动能Ek随x变化的关系，其中正确的是
(　　)
D
感谢观看
THANK YOU