第十章第5节　带电粒子在电场中的运动 课件《创新课堂》必修三

(共45张PPT)
第5节　带电粒子在电场中的运动
1．掌握带电粒子在电场中运动时的加速度、速度和位移等物理量的变化。
2．能运用静电力做功、电势、电势差、等势面等概念研究带电粒子运动时的能量转化。
3．了解示波管的工作原理，体会静电场知识在科学技术中的应用。
课前 知识梳理
PART
01
第一部分
一、带电粒子在电场中的加速
1．当解决的问题属于匀强电场且涉及运动时间等描述运动过程的物理量时，利用______________结合匀变速直线运动公式来分析。
2．当问题只涉及位移、速率等动能定理公式中的物理量或非匀强电场情景时，利用静电力做功结合________________来分析。
牛顿第二定律　
动能定理　
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的基本粒子(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
(1)沿初速度方向：速度为v0的匀速直线运动。
(2)垂直于v0的方向：初速度为0的匀加速直线运动。
三、示波管的原理
1．示波管主要由________、________________和________组成。
电子枪
偏转电极　
荧光屏　
2．扫描电压：XX′偏转电极通常接入仪器自身产生的________电压。
3．示波管工作原理：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，那么，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像了。
锯齿形
判断下列说法是否正确。
(1)带电粒子(不计重力)在电场中由静止释放时，一定做匀加速直线运动。(　　)
(2)对带电粒子在电场中的运动，从受力的角度来看，遵循牛顿运动定律；从做功的角度来看，遵循能量的转化和守恒定律。(　　)
(3)对于带电粒子(不计重力)在电场中的偏转可分解为沿初速度方向的匀速直线运动和沿电场线方向的自由落体运动。(　　)
(4)示波管偏转电极不加电压时，从电子枪射出的电子将沿直线运动。(　　)
×　
√　
×　
√　
课堂 深度探究
PART
02
第二部分
知识点一　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q的粒子，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)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，其速度如何？
(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？
[提示]　结果仍适用。不管是否为匀强电场，静电力做功都可以用W＝qU计算，则动能定理仍适用，结果仍适用。
1．带电粒子
(1)电子、质子、α粒子、离子等基本粒子，一般都不考虑重力。
(2)质量较大的微粒：带电小球、带电油滴、带电颗粒等，除有说明或有明确的暗示外，处理问题时一般都不能忽略重力。
3．交变电场中的运动
(1)运动分析：当空间存在交变电场时，粒子所受静电力方向将随着电场方向的改变而改变，粒子的运动性质也具有周期性。
(2)解题技巧：研究带电粒子在交变电场中的运动需要分段研究，并辅以v－t图像。特别需注意带电粒子进入交变电场时的时刻及交变电场的周期。
√
　 　如图所示，P和Q为两平行金属板，保持板间电压恒为U，在P板附近有一电子由静止开始向Q板运动，若增大两板间的距离，则电子(　　)
A．加速度增大　 　
B．到达Q的时间变短
C．到达Q的速度增大
D．到达Q的速度不变
√
　 　如图所示，三块平行放置的带电金属薄板A、B、C中央各有一小孔，小孔分别位于O、M、P点。由O点静止释放的电子恰好能运动到P点。现将C板向右平移到P′点，则由O点静止释放的电子(　　)
A．运动到P点返回
B．运动到P和P′点之间返回
C．运动到P′点返回
D．穿过P′点
知识点二　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，不计粒子所受的重力。
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？
[提示]　匀速直线运动。
(2)带电粒子在沿电场方向做什么运动？
[提示]　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？
(4)粒子所受静电力是多大？加速度是多大？
√
角度1　示波管的原理和分析
　 　(多选)(2023·河南周口期中)示波管原理如图所示，当两偏转电极XX′、YY′电压为零时，电子枪发射的电子经加速电场加速后会打在荧光屏正中间的O点，其中x轴与XX′电场的场强方向平行，y轴与YY′电场的场强方向平行，则下列说法正确的是(　　)
A．若XX′电压为零时，只在YY′加电压，电子只能打在荧光屏的y轴上
B．若YY′电压为零时，只在XX′加电压，电子只能打在荧光屏的y轴上
C．要使电子打在图示坐标系的第Ⅲ象限内，应使X′、Y′接电源的负极
D．要使电子打在图示坐标系的第Ⅲ象限内，应使X′、Y′接电源的正极
√
[解析]　若XX′电压为零时，只在YY′加电压，电子只能打在荧光屏的y轴上，故A正确。
若YY′电压为零时，只在XX′加电压，电子只能打在荧光屏的x轴上，故B错误。
要使电子打在题图所示坐标系的第Ⅲ象限内，则电子在经过YY′之间时向－y方向偏转，应使Y接电源的负极，Y′接电源的正极；之后电子在经过XX′之间向－x方向偏转，应使X′接电源的正极，X接电源的负极，故D正确，C错误。
√
√
√
　 　(2024·陕西西安联考)一束初速度不计的带电粒子，电荷量q＝1.6×10－19C在经U＝5 000 V的加速电压加速后，在距两极板等距处垂直进入平行板间的匀强电场，如图所示。若板间距离d＝1.0 cm，板长l＝5.0 cm，两个极板上电压U′＝400 V，已知粒子的质量为4×10－30kg(重力忽略不计)。求：
(1)粒子进入偏转电场时的速度v0；
[答案]　2×107 m/s　
(2)粒子在偏转电场中的加速度；
[答案]　1.6×1015 m/s2
(3)粒子射出电场沿垂直于板面方向偏移的距离y；
[答案]　5×10－3 m　
(4)粒子射出电场时速度偏转角度θ的正切值；
(5)偏转电场对粒子做的功。
[答案]　3.2×10－17 J
随堂 巩固落实
PART
03
第三部分
√
√
2.(带电粒子在电场中的偏转)(多选)如图所示，一质量为m、电荷量为＋q的带电粒子(不计重力)，以速度v0垂直于电场方向进入电场，关于该带电粒子的运动，下列说法正确的是(　　)
A．粒子在初速度方向做匀加速运动，平行于电场方向做匀加速运动，因而合运动是匀加速直线运动
B．粒子在初速度方向做匀速运动，平行于电场方向做匀加速运动，其合运动的轨迹是一条抛物线
C．分析该运动，可以用运动分解的方法，分别分析
两个方向的运动规律，然后再确定合运动情况
D．分析该运动，有时也可用动能定理确定其某时刻速度的大小
√
√
解析：当不计重力的粒子垂直于电场线方向进入电场时，在沿电场方向上受到竖直向下的静电力，初速度方向不受外力，故粒子做类平抛运动，轨迹为曲线，做匀变速曲线运动，其可分解为平行于极板方向的匀速直线运动和垂直于极板方向的初速度为零的匀加速运动，A错误，B、C正确；
过程中只有静电力做功，而静电力做功与路径无关，故可用动能定理确定其某时刻速度的大小，D正确。
3．(带电粒子在电场内的加速和偏转)(2024·广东东莞期中)如图所示为两组平行板金属板，一组竖直放置，一组水平放置，今有一质量为m、电量为e的电子静止在竖直放置的平行金属板的A点，经电压U0加速后通过B点进入两板间距为d、电压为U的水平放置的平行金属板间，若电子从两块水平平行板的正中间射入，且最后电子刚好能从右侧的两块平行金属板穿出，A、B分别为两块竖直板的中点，求：
(1)电子通过B点时的速度大小；
(2)电子穿出右侧平行金属板时的速度大小、速度与水平方向夹角的正切值。