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24张ppt）

(共24张PPT)
带电粒子在电场中的运动
加速带电粒子用于医疗实践
“质子疗法”
先将质子加速到具有较高的能量，再将它引向轰击肿瘤，杀死细胞；
“放射疗法”
将被加速后的电子轰击重金属靶，产生出的放射线用于医学治疗。
一.带电粒子在电场中的加速
A
B
U
d
E
+
F
v
【例1】 例题1：如图所示，真空中平行金属板A、B之间的距离为d，有一个质量为m电荷量为q的正粒子位于A板旁，给两金属板加直流电压U，把两板间的电场看做匀强电场。求：该粒子从A板由静止开始运动到达B板时的速度vB。
受力分析：
仅受水平向右的电场力
运动分析：
初速度为零，向右匀加速直线运动
加速度
忽略重力：
质子、电子、离子
不忽略重力：
带电小球、尘埃、液滴
A
B
U
d
E
+
F
v
求:电荷到达负极板B时的速度V？
解法一　运用运动学知识
解法二　运用动能定理知识
粒子加速后的速度只与加速电压有关
初速度不为零呢？
Q1:决定粒子加速后的速度大小的因素为？
Q2:若两极板不平行，还能用上述两种解法吗
末速度大小仍为？
非匀强场无法用匀变速运动的规律
但仍可用动能定理，其中仍适用非匀强场的电场力做功计算
一.带电粒子在电场中的加速
B
A
d
+
U
-
+
B
+
希望粒子继续加速
+
-
希望粒子再次加速
+
-
+
+
-
+
加速
加速
加速
Q1:带电粒子会在金属圆筒里被加速吗？
Q2:带电粒子是在哪里被加速？
Q3:想要实现多级加速，电压有何要求？
Q4:忽略加速时间，要想粒子恰好到达圆筒间隙时都能受到向右的静电力？
匀速
匀速
匀速
匀速
一.带电粒子在电场中的加速
金属筒内场强为0，粒子匀速
粒子在相邻圆筒中间加速
电子匀速穿过每个筒的时间等于交变电压周期的一半。
每半个周期，电压变化一次。
各筒长度等于电子在该筒速度大小乘交变电压周期一半。故越往后筒越长。
多级加速器的加速原理
第n号圆筒的长度为ln
ln
ln
每次加速时，静电力做功均为eu
+
a
电势高
电势低
φ下
φ上
φ高
φ低
φ低
φ高
状态1
状态2
一.带电粒子在电场中的加速
换个思路
多级加速器的加速原理
第1次加速，v12-v02=2ad
第2次加速，v22-v12=2ad
第3次加速，
第n次加速，
…… ……
在相邻圆筒间隙内的加速度为a : a
ln
一.带电粒子在电场中的加速
北京正负电子对撞机的直线加速器
受力分析：
仅受竖直向下的电场力
粒子有水平方向初速度，做类平抛运动
运动分析：
二. 带电粒子在电场中的偏转
例题2：如图所示，正电荷q由静止开始经加速电场后以速度v0沿平行于板面方向射入竖直方向的偏转电场，AB两板间的电场看做匀强电场。已知极板间的电压U=200 V，极板的长度L=6.0 cm，两板相距d=2 cm，v0=3.0×107 m/s。求电子离开偏转电场时沿垂直板面方向的偏移距离Δy、偏转角度θ以及加速电场电压U0。
L
d
- - - - - - - -
+ + + + + + + + +
U
v0
q、m
+
L
d
- - - - - - - -
+ + + + + + + + +
U
v0
q、m
+
+
vy
θ
v
v0
y
偏转侧位移：
Q6:水平初速度相同的不同带电粒子完全穿过偏转电场的时间相同吗？
垂直电场方向：
匀速直线运动
沿电场方向：
匀加速直线运动
求：偏转位移和偏转角
偏转角：
二. 带电粒子在电场中的偏转
A
B
U0
E
+
F
- - - - - - - -
+ + + + + + + + +
U
+
vy
θ
y
v
v0
推论1 ：不同带电粒子由静止经过同一加速电场和偏转电场，其轨迹重合，即出射时速度偏向角和偏移量完全相同。
综合：带电粒子的加速和偏转
求：加速电场的电压。
推论2：带电粒子垂直进入偏转电场，离开电场时速度的反向延长线经过水平位移的中点
推论3：带电粒子离开偏转电场时,其瞬时速度的反向延长线过水平位移的中点。且速度偏角正切值是位移偏角正切值的2倍，即
中点
二. 带电粒子在电场中的偏转
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。
综合：带电粒子的加速和偏转
Q8: 怎样的电场方向才能实现水平方向的偏转？
是一种用来观察电信号随时间变化的电子仪器。
由电子枪、偏转电极和荧光屏组成，管内抽成真空。
1.示波器作用：
2.它的核心部件是示波管：
3.原理：
利用了带电粒子在电场中偏转的规律，灵敏、直观地显示出电信号随时间变化的图线。
电子枪部分：
偏转电极部分：
荧光屏部分：
发射出电子
使电子沿两方向偏转
电子使荧光物质受激而发光
三、示波器
示波器：能够观察电信号随时间变化情况的仪器。
电子枪
偏转电极
-
+
荧光屏
Y
Yˊ
X
Xˊ
Xˊ
X
Y
Yˊ
产生高速飞行的电子束
扫描电压：
锯齿形扫描电压
使电子沿Y方向偏移
信号电压：待显示的
电压信号
使电子沿X方向偏移
三、示波器
思考讨论：
如果在偏转电极XX’之间和偏转电极YY’之间都没有加电压电子束从电子枪射出后做什么运动？打在荧光屏上什么位置？（从右往左看荧光屏电子屏）
电子做匀速直线运动。打在荧光屏的正中央
看到一个点（亮斑）
三、示波器
电子枪
偏转电极
-
+
荧光屏
Y
Yˊ
X
Xˊ
Xˊ
X
Y
Yˊ
2、如果在电极XX’之间不加电压，而在YY’之间加不变电压，使Y的电势比Y’高(Y正 Y’负)，电子将打在荧光屏的什么位置？
-
+
Xˊ
Xˊ
X
X
Y
Yˊ
Yˊ
Y
电子枪
偏转电极
荧光屏
电子沿Y方向向上偏移
思考讨论：
三、示波器
4、如果在YY'之间不加电压,而在XX’之间加按图所示的规律随时间变化的电压（锯齿形），在荧光屏会看到什么图形？
UX
t
扫描电压
示波器图象
由于视觉暂留和荧光物质的殊光特性，
形成稳定且水平的亮线
匀速的、持续的扫描
Y
Y’
X’
X
思考讨论：
三、示波器
3、如果在电极XX’之间不加电压，但在YY’之间加如图所示的交变电压，在荧光屏上会看到什么图形？
Xˊ
X
Yˊ
UY
t
O
Yˊ 随信号电压同步变化，电压变化快，亮斑移动很快，由于视觉暂留和荧光物质的殊光特性，亮斑的移动看起来就成了一条与Y轴重合的竖直亮线。
示波器图象
思考讨论：
三、示波器
5、如果在 YYˊ 之间加如图所示的交变电压，同时在 XXˊ 之间加锯齿形扫描电压，在荧光屏上会看到什么图形？
A
B
C
D
F
A
B
C
t1
D
E
F
t2
Xˊ
X
Y
Yˊ
t
O
UY
UX
O
t
A
B
C
D
E
E
F
t2
t1
t2
t1
看到一个余弦函数图像
思考讨论：
三、示波器
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。
示波器图象
t
O
UY
UX
O
t
Xˊ
X
Y
Yˊ
三、示波器
(1) 电子进入偏转电场时的速度v0.
(2) 电子从偏转电场射出时的侧移量y.
(3) P点到O点的距离Y.
(4) 电子打到屏上P点的速度vP.
密立根实验——电子电荷量的测定
密立根并没有直接测量电子的电荷量，而是测定很小的带电油滴所带的电荷量。一个带电的油滴在匀强电场中所受的静电力是一定的。如图1.9-8，设法使油滴带负电，它所受静电力的方向向上。如果油滴刚好悬浮在空中，那么它受到的静电力的大小正好与油滴所受的重力相等，由此可以测定油滴所带的电荷量。
在19世纪末发现电子以后，美国物理学家密立根多年间进行了多次实验，比较准确地测定了电子的电荷量。
+ + + + + + +
- - - - - - -
qE
mg
现代实验测出的电子电荷量e=1.60217733×10-19C
科学漫步
范德格拉夫静电加速器
当电刷E与几万伏的直流高压电源的正极接通时，E与大地之间就有几万伏的电势差。由于尖端放电，正电荷被喷射到传送带上，并被传送带带着向上运动。当正电荷到达电刷F附近时，F上被感应出异号电荷。由于尖端放电，F上的负电荷与传送带上的正电荷中和，从而使传送带失去电荷，而F上剩下了正电荷。由于导体带电电荷只能存在于外表面，所以F上的正电荷立即传到金属壳的外表面。这样，由于传送带的运送，正电荷不断从直流电源传到球壳的外表面，从而在金属壳与大地之间形成高电压。
图1.9-9是起电机部分的示意图。金属球壳固定在绝缘支柱顶端，绝缘材料制成的传送带套在两个转轮上，由电动机带动循环运转。E和F是两排金属针(称做电刷)。
科学漫步