《导与练》人教版物理选修3-1 同步教学课件：第1章 第9节 带电粒子在电场中的运动

课件54张PPT。第9节　带电粒子在电场中的运动(教师参考)
一、教学目标
知识与技能
1.知道带电粒子在电场中的加速运动,能够计算粒子所获速度的大小
2.掌握带电粒子在匀强电场中的偏转运动(类平抛运动)
3.知道示波管的主要构造和工作原理
过程与方法
综合运用力学和电学的知识分析解决带电粒子在电场中的运动问题
情感态度与价值观
培养学生综合分析问题的能力,体会物理知识的实际应用
二、教学重点难点
教学重点
带电粒子在电场中的加速和偏转规律
教学难点
带电粒子在电场中的偏转问题及应用三、重难点突破方略
带电粒子的加速的突破方略
【情境设置】 在真空中有一对平行金属板,两板间的电势差为U,板间距为d,如图所示.若一个质量为m、带正电荷q的粒子在静电力的作用下由静止开始从正极板运动到负极板.(设问1)带电粒子在电场中受哪些力作用?重力能否忽略不计?
答案:受重力和静电力;因重力远小于静电力,故可以忽略重力.(设问2)粒子在电场中做何种运动?你能用几种方法计算粒子到达负极板时的速度?(设问3)在非匀强电场中,上述两种方法哪一种可行?
答案:方法一可行.
【教师讲授】 在非匀强电场中,公式W=qU同样适用.自主学习课堂探究达标测评学科素养自主学习 课前预习·感悟新知(教师参考)
情境链接一
粒子加速器广泛应用于医疗,例如,医用加速器是生物医学上的一种用来对肿瘤进行放射治疗的粒子加速器装置.目前国际上,在放射治疗中使用最多的是电子直线加速器.只有在怎样的场所中,电子才得以加速?电子获得的动能是由什么能量转化而来?信息
1.要使带电粒子获得能量,就要有加速电场.
2.静电力对电子做功,电子的电势能转化为动能.情境链接二
示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器.利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它测试各种不同的电学量,如电压、电流、频率、相位差、调幅度等.1.如图所示,若将一个锯齿形电压加到一对水平偏转电极上,光点在荧光屏上形成怎样的图形?
2.如果分别将两个直流电压同时加到竖直和水平两对偏转板上,则荧光屏上的光点位置如何来确定?
信息
1.光点在荧光屏上形成水平的亮线.
2.荧光屏上的光点位置就由两个方向的位移共同决定.教材梳理动能定理 想一想 教材第34页“思考与讨论”中,如果两极板是其他形状,中间的电场不再均匀,上面的结果是否仍然适用?为什么?二、带电粒子的偏转
　　分析教材第34页“带电粒子的偏转”部分,大致了解求偏移距离y和偏转角度θ的过程.
1.进入电场的方式:以初速度v0垂直于电场线方向进入匀强电场.
2.受力特点:静电力大小恒定,且方向与初速度v0的方向垂直.3.运动规律 (如图所示):想一想 教材第34页的“例题2”中的电子做曲线运动,可以认为电子同时参与了哪两种分运动?
答案:电子的运动可分解为垂直电场方向的初速度为零的匀加速直线运动与平行电场方向的匀速直线运动这两个分运动.
三、示波管
　　分析教材第35页图1.9-4,了解示波管的结构,大致说出示波管的原理.
1.构造:
示波管主要由 、偏转电极和 组成.电子枪荧光屏2.原理:
灯丝被电源加热后,发射电子,发射出来的电子经加速电场加速后,以很大的速度进入偏转电场,如在电极YY′之间加一个 ,在XX′偏转电极上加一 ,且扫描电压与信号电压周期相同,在荧光屏上就会出现按YY′偏转电压规律变化的可视图像.信号电压议一议 教材第36页“思考与讨论”中图1.9-6的电压加在XX′之间,而YY′之间不加电压,则在示波管的荧光屏上会看到什么图形?
答案:由于YY′之间不加电压,电子不会上下偏转;在XX′之间加上图1.9-6的电压,电子从左向右偏转,在荧光屏上会看到一条水平的亮线.扫描电压自主检测答案:(1)×　(2)×　(3)√　(4)×1.思考判断
(1)基本粒子在电场中加速时,不计重力就是不计质量.(　　)
(2)带电粒子在匀强电场中偏转时,其速度和加速度都不断变化.(　　)
(3)示波管电子枪的作用是产生高速飞行的电子束,偏转电极的作用是使电子束发生偏转,打在荧光屏的不同位置.(　　)
(4)示波管的荧光屏上显示的是电子的运动轨迹.(　　)C2.如图所示,在A板附近有一电子由静止开始向B板运动,则关于电子到达B板时的速率,下列解释正确的是(　 　)
A.两板间距越大,加速的时间就越长,则获得的速率越大
B.两板间距越小,加速的时间就越长,则获得的速率越大
C.获得的速率大小与两板间的距离无关,仅与加速电压U有关
D.两板间距离越小,加速的时间就越短,则获得的速率越小3.如图是示波管的原理图.它由电子枪、偏转电极(XX′和YY′)、荧光屏组成,管内抽成真空.给电子枪通电后,如果在偏转电极XX′和YY′上都没有加电压,电子束将打在荧光屏的中心O点.答案: (1)Ⅰ　Ⅱ　(2)Y　X(1)带电粒子在　　　　区域是加速的,在　　　　区域是偏转的.?
(2)若UYY′>0,UXX′=0,则粒子向　　　　板偏移,若UYY′=0,UXX′>0,则粒子向
　　　　板偏移.?4.如图所示,带电粒子以初速度v0沿垂直于电场方向进入匀强电场中做类平抛运动,U,d,L,m,q,v0已知.请完成下列填空.
(1)穿过极板时间t=　　　　.?
(2)射出电场的末速度v=　　　　.?(3)射出电场时偏向距y=　　　　,对于不同的带电粒子若以相同的速度射入,则y与　　　　成正比;若以相同的动能射入,则y与　　　　成正比.?课堂探究 核心导学·要点探究要点一带电粒子的加速【问题导引】
处理带电粒子在电场中加速运动问题主要有哪两种基本思路?
答案: (1)力和运动的关系——牛顿第二定律及运动学公式;
(2)功和能的关系——动能定理等.前者适用于粒子在匀强电场做匀变速直线运动的情况,后者既适用于匀强电场,也适用于非匀强电场.(教师备用)
【要点归纳】
1.运动状态分析:带电粒子沿平行电场线的方向进入匀强电场,受到的电场力与运动方向在同一直线上,做匀变速直线运动.
2.物理过程分析方法
(1)根据带电粒子受的力(包含静电力),用牛顿定律求出加速度,结合运动学公式确定带电粒子的速度、位移等.
(2)由动能定理,粒子动能的变化量等于合外力做的功(电场可以是匀强电场或非匀强电场).?思路探究? (1)电子的加速度由什么力决定?【例1】 一个电子(质量为9.1×10-31 kg,电荷量为1.6×10-19 C)以v0=4.0×
107 m/s的初速度沿着匀强电场的电场线方向飞入匀强电场,已知电场强度大小E=2.0×105 N/C,不计重力,求:
(1)电子在电场中运动的加速度大小;
(2)电子进入电场的最大距离;
(3)电子进入电场最大距离的一半时的动能.(2)电子运动到最大距离处时速度为多大?求这个最大距离的最佳运动学公式用哪个?
答案:电子运动到最大距离处的速度为零,用v2=2ax可求得最大距离x.答案: (1)3.5×1016 m/s2
(2)2.28×10-2 m
(3)3.6×10-16 J误区警示 带电体重力的处理方法
(1)基本粒子,如电子、质子、α粒子、正负离子等,除有说明或明确的暗示以外,在电场中运动时均不考虑重力(但并不忽略质量);
(2)宏观带电体,如尘埃、液滴、小球等除有说明或明确的暗示以外,一般要考虑重力.(教师备用)
例1-1:如图所示,一个电子质量为m,电荷量为e,以初速度v0沿着匀强电场的电场线方向飞入匀强电场,已知匀强电场的场强大小为E,不计重力,求:
(1)电子进入电场的最大距离;(2)电子进入电场最大距离的一半时的动能.例1-2:如图所示,在点电荷+Q激发的电场中有A,B两点,将质子(符号H、质量数为1,电荷数为1)和α粒子(符号α、质量数为4,电荷数为2)分别从A点由静止释放到达B点时,它们的速度大小之比为多少?针对训练1:如图,在P板附近有一电子由静止开始向Q板运动.已知两极板间电势差为U,板间距为d,电子质量为m,电荷量为e.则关于电子在两板间的运动情况,下列叙述正确的是(　 　)
A.若将板间距d增大一倍,则电子到达Q板的速率保持不变
B.若将板间距d增大一倍,则电子到达Q板的速率也增大一倍
C.若将两极板间电势差U增大一倍,则电子到达Q板的时间保持不变
D.若将两极板间电势差U增大一倍,则电子到达Q板的时间减为一半A要点二带电粒子在加速电场、偏转电场中的综合问题【问题导引】
不同的带电粒子经同一加速电场加速后再经同一偏转电场偏转,能否被分成不同的粒子束?2.无论粒子的m,q如何,只要经过同一电场加速,再垂直进入同一偏转电场,它们飞出的偏移量和偏转角θ都是相同的,所以同性粒子运动轨迹完全重合.【例2】 如图所示为一真空示波管,电子从灯丝K出发(初速度不计),经灯丝与A板间的加速电压U1加速,从A板中心孔沿中心线KO射出,然后从两块平行金属板M,N的中间位置进入偏转电场中,偏转电场可视为匀强电场,电子进入M,N间电场时的速度与电场方向垂直,电子经过电场后打在荧光屏上的P点.已知加速电压为U1,M,N两板间的电压为U2,两板间的距离为d,板长为L1,板右端到荧光屏的距离为L2,电子的质量为m,电荷量为e.求:
(1)电子穿过A板时的速度大小;
(2)电子从偏转电场射出时的侧移量;
(3)P点到O点的距离.?思维导图?规律方法 带电粒子在匀强电场中偏转的几个推论(3)若以相同的初动能Ek0进入同一个偏转电场,只要q相同,不论m是否相同,则偏转距离y和偏转角θ相同.(教师备用)
变式:在例2中的示波管,由于加速电压U1过低,电子不能飞出偏转电场,导致荧光屏不能出现亮斑.求出现这种情况时,加速电压U1的范围.例2-1:(2016广州执信、广雅、二中、六中四校联考)如图所示,虚线MN左侧有一场强为E1=E的匀强电场,在两条平行的虚线MN和PQ之间存在着宽为L、电场强度为E2=2E的匀强电场,在虚线PQ右侧相距为L处有一与电场E2平行的屏.现将一电子(电荷量为e,质量为m)无初速度地放入电场E1中的A点(A点离两场边界距离为L/2),最后电子打在右侧的屏上,AO连线与屏垂直,垂足为O,求:
(1)电子从释放到刚射出电场E2时所用的时间;(2)电子刚射出电场E2时的速度方向与AO连线夹角θ的正切值tan θ;答案：(2)2　 (3)电子打到屏上的点P′到点O的距离y.答案：(3)3L例2-2:一个初速度为零的电子通过电压为U的电场加速后,从C点沿水平方向飞入电场强度为E的匀强电场中,到达该电场中另一点D时,电子的速度方向与电场强度方向的夹角正好是120°,如图所示.试求C,D两点沿电场强度方向的距离y.针对训练2:如图所示,一个质量为m、带电荷量为q的粒子从两平行板左侧中点沿垂直场强方向射入,当入射速度为v时,恰好穿过电场而不碰金属板.要使粒子的入射速度变为v/2,仍能恰好穿过电场,则必须再使(　 　)
A.粒子的电荷量变为原来的1/4
B.两板间电压减为原来的1/2
C.两板间距离增为原来的4倍
D.两板间距离减为原来的1/2A达标测评 随堂演练·检测效果C AC2.(多选)示波管是示波器的核心部件,它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成,如图所示.若在荧光屏上P点出现亮斑,那么示波管中(　 　)
A.极板X应带正电 B.极板X′应带正电
C.极板Y应带正电 D.极板Y′应带正电解析:电子带负电,要使电子向极板Y偏转,极板Y应带正电,要使电子向极板X偏转,极板X应带正电,选项A,C正确,B,D错误.A C 5.(2016湖北襄阳高二期末)如图所示,边长为L的正方形区域abcd内存在着匀强电场,电荷量为q、动能为Ek的带正电粒子从a点沿ab方向进入电场,不计粒子的重力.
(1)若粒子从c点离开电场,求电场强度的大小和粒子离开电场时的动能;(2)若粒子从bc边离开电场时动能为2Ek,则电场强度为多大?学科素养 技能点拨·规范解题类平抛运动问题
【以例试法】
如图所示,A,B为两块足够大的相距为d的平行金属板,接在电压为U的电源上.在A板的中央P点放置一个电子发射源,可以向各个方向释放电子.设电子的质量为m,电荷量为e,射出的初速度为v.求电子打在B板上的区域面积?(不计电子的重力)方法点拨 (1)平行于A板射出的电子在电场中做类平抛运动,垂直于电场方向的分运动为匀速直线运动,平行于电场方向的分运动为匀加速直线运动.
(2)所有电子打在B板上的区域为圆形,从P点出发垂直打在B板的点为圆心,平行于A板射出的电子打在B板时离圆心最远.?即学即用?(2016会宁县一中期中)如图所示,在两条平行的虚线内存在着宽度为L、场强为E的匀强电场,在与右侧虚线相距L处有一与电场平行的屏.现有一电荷量为+q、质量为m的带电粒子(重力不计)以垂直于电场线方向的初速度v0射入电场中,v0方向的延长线与屏的交点为O.试求:
(1)粒子从射入到打到屏上所用的时间;(2)粒子刚射出电场时的速度方向与初速度方向间夹角的正切值tan α;(3)粒子打到屏上的点P到O点的距离s.(教师参考)
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