人教版高中物理必修第三册 第十章 静电场中的能量 5 带电粒子在电场中的运动 课件(共53张PPT)

(共53张PPT)
5.带电粒子在电场中的运动
第十章 静电场中的能量
核心素养 素养目标
物理观念 1.会分析带电粒子在电场中的运动情况.
2.了解示波管的结构和原理.
科学思维 1.会从力和能量的角度分析、计算带电粒子在电场中的加速问题.
2.能够用类平抛运动知识分析带电粒子在电场中的偏转问题.
一、带电粒子在电场中的加速
教材认知
引入　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q的粒子（重力不计），以初速度v0从正极板附近向负极板运动.
试结合上述情境讨论：
（1）怎样计算它到达负极板时的速度？
（2）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？
提示：（2）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.
匀加速（或匀减速）直线运动　
牛顿第二　
匀强　
B
A. 若闭合开关后，再从O点由静止释放电子，电子将运动到P点返回
B. 若闭合开关后，再从O点由静止释放电子，电子将运动到P'点返回
C. 若保持开关断开，再从O点由静止释放电子，电子将运动到P和P'点之间返回
D. 若保持开关断开，再从O点由静止释放电子，电子将穿过P'点
名师点评
　　若电场为非匀强电场，带电粒子在电场中两点间的运动为变加速运动，不能通过力和运动的途径解出该题，但静电力做功W＝qU这一关系对匀强电场和非匀强电场都适用，因此从能量的角度入手，由动能定理来解该题很方便.
B. edUL
D
二、带电粒子在电场中的偏转
教材认知
引入　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.
带电粒子在垂直于电场方向做什么运动？带电粒子在沿电场方向做什么运动？
提示：匀速直线运动；初速度为零的匀加速直线运动.
【知识梳理】
如图所示，质量为m、带电荷量为q的粒子（忽略重力），以初速度v0平行于两极板进入匀强电场，极板长为l，极板间距离为d，极板间电压为U.
1. 运动性质
v0　
匀速直线　
零　
2. 运动规律





典题讲练
[典例2]　（2025·北京交大附中期末）电子经过电场加速后射入偏转电场.已知加速电场两极板间电压为U1，偏转电场两极板间电压为U2，极板长为L，相距为d，电子质量为m，电荷量为e，（重力不计）.求：
（1）电子离开加速电场时速度大小v0；
（2）电子离开偏转电场时竖直方向的位移大小y；
（3）某同学认为将一价氢离子、一价氦离子和二价氦离子的混合物由静止开始进入该装置，它们会分离为三股粒子束.你认为这位同学的看法是否正确，请说明理由.
答案：（3）见解析
名师点评
　　是否会分成几股粒子流，乍一看无从下手，其实仔细分析会发现，粒子水平方向位移相同，只要竖直方向位移相同，是不是就打在同一个位置？所以把题目中的几种粒子出偏转电场的位置，转换成竖直位移是否相同就迎刃而解了.
B
A. 增大两极板间电压U
B. 尽可能使板长L做得长些
C. 尽可能使板间的距离d增大些
D. 使电子的入射速率v0大些
三、示波管原理
教材认知
引入　如图是示波管的示意图，从电子枪发出的电子通过两对偏转电极，如果偏转电极不加电压，则电子沿直线打在荧光屏的中心O，当在两对偏转电极上同时加上电压后，电子将偏离中心打在某个位置，现已标出偏转电极所加电压的正负极，从示波管的右侧来看，电子可能会打在荧光屏上哪一位置？
提示：竖直方向的电场方向由Y指向Y'，则电子向Y方向偏转，水平方向的电场方向由X'指向X，则电子向X'方向偏转，故电子可能打在荧光屏上的2位置.
电子枪　
偏转电极　
荧光屏　
（2）示波管的YY'偏转电极上加的是待测的信号电压，使电子沿YY'方向偏转.
中心O　
甲 示波管的结构 乙　荧光屏
（从右向左看）
（3）示波管的XX'偏转电极上加的是仪器自身产生的锯齿形电压（如图所示），叫作扫描电压，使电子沿XX'方向偏转.
扫描电压
【拓展深化】　偏转电极所加电压与荧光屏亮线的对应关系
电压 亮线位置 描述
在YY'之间所加电压如图所示，XX'之间不加电压
一条沿Y轴的竖直亮线
在YY'之间所加电压如图所示，而在XX'之间加不变的电压（X正、X'负）
一条与Y轴平行的竖直亮线
电压 亮线位置 描述
在YY'之间加如图甲所示的电压，同时在XX'之间加如图乙所示的电压
甲 乙 信号电压在一个周期内随时间变化的波形图
A
A. 极板X应带正电
B. 极板X'应带正电
C. 极板Y应带负电
D. 极板Y'可能不带电
解析：电子受力方向与电场方向相反，因电子向X方向偏转，电场方向为X到X'，则X带正电，X'带负电，同理可知Y带正电，Y'带负电，故A正确.
名师点评
　　（1）示波管实际工作时，偏转电极YY'和偏转电极XX'都加上电压，一般地，加在偏转电极YY'上的电压是要研究的信号电压，加在偏转电极XX'上的电压是扫描电压.
（2）若信号电压与扫描电压周期相同，则在荧光屏上就会显示出信号电压在一个周期内随时间变化的波形图.
甲
图a 图b 图c（正弦曲线）
AB
A. 如果在XX'加图a电压，在YY'加图c 电压，荧光屏上会看到一条与Y轴平行的竖直亮线
B. 如果在XX'之间加图b电压，在YY'之间加图c电压，荧光屏上看到的亮线是正弦曲线
C. 如果在XX'之间不加电压，在YY'加图a电压，在荧光屏的Y轴上会看到一条亮线
D. 如果在XX'之间和YY'之间都加图b的电压，在荧光屏的坐标原点上会看到一个亮斑
解析：如果在XX'之间加图a的电压，电子会向X轴正半轴偏转到一个点，同时在YY'加图c的电压，电子在竖直方向偏转成一条直线，因此在荧光屏上会看到一条与Y轴平行的竖直亮线，故A正确；如果在XX'之间加图b的电压，电子在一个周期内会在X轴方向上，由X'轴上某点向正X轴方向扫描到关于原点对称的某点，在荧光屏上会看到X轴上的一条水平亮线，若只在YY'之间加图c所示电压，根据以上分析可知，Y轴方向上发生周而复始与电压变化一致的偏转，根据运动的合成可知，若在XX'之间加图b的电压，YY'在之间加图c的电压，在荧光屏上看到的亮线是正弦曲线，故B正确；如果在XX'之间不加电压，则电子在X轴方向不偏转，在YY'加图a恒定电压，电压值为正，Y极板电势高于Y'极板电势，板间的匀强电场由Y极板指向Y'极板，所有电子运动的轨迹都相同，向着Y极板一侧偏转，即所有电子都打在荧光屏的正Y轴上的同一点，因此在正Y轴上将出现一个亮斑，故C错误；根据以上分析可知，如果在XX'之间和YY'之间都加图b的电压，在荧光屏将出现一条倾斜亮线，故D错误.故选A、B.
随堂检测
A. 900 eV B. 500 eV
C. 400 eV D. －100 eV
解析：电子从A向B运动时，静电力对电子做负功，若电子能到达B点，克服静电力所做的功W＝qU＝500 eV＞400 eV，因此电子不能到达B孔，电子向右做减速运动，在到达B孔之前速度变为零，然后反向运动，从A孔离开电场，在整个过程中，静电力做功为零，由动能定理可知，电子离开电场时的动能：Ek＝400 eV，故C正确.
C
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2
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A. 该粒子带正电
B. 该粒子带负电
C. 从J到K粒子的电势能增加
D. 粒子从J到K运动过程中的动能与电势能之和不变
解析：由运动轨迹可知静电力方向向右，由电势的高低可知电场线方向向左，则该粒子电性为负，故A错误，B正确；由J到K静电力做正功，则动能增加，电势能减小，由于不计重力，根据能量守恒定律知：动能与电势能之和不变，故C错误，D正确.
BD
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A. 开关S断开
B. 初速度变为2v0
D. 竖直移动上板，使板间距变为2d
B
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3
4
A. 使U2加倍
B. 使U2变为原来的4倍
A
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3
4
课时作业（十一）
[基础训练]
A. 一定是匀变速运动
B. 不可能做匀减速运动
C. 一定做曲线运动
D. 可能做匀变速直线运动，不可能做匀变速曲线运动
解析：带电粒子在匀强电场中受到的静电力恒定不变，可能做匀变速直线运动，也可能做匀变速曲线运动，A正确.
A
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D. 钠离子（Na＋）
A
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A. 电子到达Q板时的速率与板间电压无关，仅与两板间距离有关
B. 电子到达Q板时的速率与两板间距离无关，仅与板间电压有关
C. 两板间距离越小，电子的加速度就越小
D. 两板间距离越大，加速时间越短
B
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A. 做直线运动，电势能先变小后变大
B. 做直线运动，电势能先变大后变小
C. 做曲线运动，电势能先变小后变大
D. 做曲线运动，电势能先变大后变小
C
解析：由题图等势面可知两固定的等量异号点电荷的电场分布如图所示.带负电的粒子在等量异号点电荷所产生电场中的偏转运动轨迹如图所示，则粒子在电场中做曲线运动；静电力对带负电的粒子先做正功后做负功，电势能先变小后变大，故C正确.
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A. 三个原子核刚到达下极板时的动能相等
D. 若将上极板向上移动较小的距离，原子核在电场中的运动不受影响
D
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A
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解析：若扫描电压信号如B、C、D选项所示，则在半个周期内，电子沿XX'方向偏转距离相同，荧光屏上在YY'方向呈现一条直线，无法显示输入电压信号随时间周期性变化的具体情况，若扫描电压信号如A选项所示，则电子打在荧光屏上的位置沿XX'方向随时间均匀分布，又扫描电压信号周期与输入电压信号周期相同，可得到输入电压信号周期变化的图像，综上，A项图像正确.故选A.
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7. （2025·广州协和学校期中）如图所示，虚线PQ、MN间存在如图所示的水平匀强电场，一带电粒子质量为m＝2.0×10－11 kg、电荷量为q＝＋1.0×10－5 C，从a点由静止开始经电压为U＝100 V的电场加速后，垂直于匀强电场进入匀强电场中，从虚线MN的某点b（图中未画出）离开匀强电场时速度与电场方向成30°角，已知PQ、MN间距为40 cm，带电粒子的重力忽略不计.求：
（1）带电粒子刚进入匀强电场时的速率v1；
答案：（1）104 m/s
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（2）匀强电场的场强大小.
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[能力提升]
A. 12.5 J B. 2.5 J C. 0 D. －2.5 J
解析：粒子在运动过程中只有静电力做功，动能和电势能之和保持不变，在A点时动能为10 J，B点时动能为0，由对称性易知，粒子运动至等势面b时动能为5 J，因此动能和电势能之和为5 J. 当动能为7.5 J时，电势能为－2.5 J，故选项D正确.
D
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A. 三种离子经过水平电场E1和竖直电场E2的总时间相等
B. 三种离子打在荧光屏上的同一位置
C. 一价氦离子和二价氦离子打到荧光屏上时的动能相等
D. 三种离子打到屏上时的速度大小相等
B
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10. 一个电荷量为q＝－2×10－8 C，质量为m＝1×10－14 kg的带电粒子，由静止经电压为U1＝1 600 V的加速电场加速后，立即沿中心线O1O2垂直进入一个电压为U2＝2 400 V的偏转电场，然后打在垂直于O1O2放置的荧光屏上的P点，偏转电场两极板间距为d＝8 cm，极板长L＝8 cm，极板的右端与荧光屏之间的距离也为L＝8 cm.整个装置如图所示，（不计粒子的重力）求：
（1）粒子出加速电场时的速度v0的大小；
答案：（1）8×104 m/s
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（2）粒子出偏转电场时的偏移距离y；
答案：（2）0.03 m
解析：（2）粒子进入偏转电场后做类平抛运动，
水平方向上：L＝v0t，
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（3）P点到O2的距离y'.
答案：（3）0.09 m
解得y'＝3y＝0.09 m.
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