高二物理选修3-1第一章静电场第9节带电粒子在电场中的运动课件（共31张PPT）

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高二物理选修3-1
第一章静电场
第9节带电粒子在电场中的运动
包头市百灵庙中学
史殿斌
1.带电粒子在电场中受到静电力的作用，因此要产生加速度，速度的大小和方向都可能发
生变化。
2.对于质量很小的带电粒子，如电子、质子等，虽然它们也会受到重力的作用，重力一般远小于静电力，可以忽略。
带电粒子的加速　
如图所示，在真空中有一对平行金属板，由于接上电池组而带电，两板间的电势差为
U。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
板向负极板运动，
计算它到达负极板时的速度。
由动能定理可得：
思考与讨论
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？
例题1
炽热的金属丝可以发射电子。在金属丝和金属板之间加以电压U＝2500V，发射出的电子在真空
中
加速后，从金属板的
小孔穿出。电子穿出
时的速度有多大？
设电子刚刚离开金属
丝时的速度为零。
【解析】
电子的质量
m=0.9×10
-30kg和电子的电荷量
e＝1.6×10-19C
由动能定理可得：
带电粒子的偏转
如图所示，在真空中放置一对金属板
Y
和
Y'，把两板接到电源上，于是两板间出现了电
场。现有一个带电
粒子射入电场，它受
到的静电力的方向与
速度方向不一致，
因而发生偏转。
例题
2
如图所示，两个相同极板Y与Y'的长度l=6.0cm，相距d=2cm，极板间的电压U=200V。一个电子
沿平行于板面的方向射入电场中，射入时的速度v0=3.0×107m/s。把两板间的电场
看做匀强电场。
求电子射出电场
时
沿垂直于板面方向
偏移的距离
y
和偏转的角度
θ。
【解析】
（1）电子在垂直于板面的方向受到静电力。由于电场不随时间改变，而且是匀强电场，
所以整个运动中在垂直于板面的方向上加速度是不变的。加速度是
电子射出电场时，在垂直于板面方向偏移的距离为
其中t为飞行时间。由于电子在平行于板面的方向不受力，所以在这个方向做匀速运动，由
l
＝
v0t
可求得：t=l/v0
代入数据得：y=0.36cm
即电子射出时沿垂直于板面的方向偏离
0.36
cm。
（2）偏转角度θ如图所示，由于电子在平行于板面的方向不受力，
它离开电场时，这个方
向的分速度仍是v0，
而垂
直于板面的分速度是
离开电场时的偏转角度
θ
可由下式确定
带电粒子在匀强电场中的运动，与重物在重力场中的运动相似，有时像自由落体运动，
有时像抛体运动，依初速度是否为零而定。不过，重物在重力场中受到的力跟质量成正比，
因此不同质量的物体具有相同的加速度g。但是带电粒子在电场中受到的力跟它的电荷量
成正比，而电荷量相同的粒子可能质量不同，因而它们在电场中的加速度可以互不相同，这是静电场与重力场的重要区别。
示波管的原理
1.有一种电子仪器叫示波器，可以用来观察电信号随时间变化的情况。
2.示波器的核心部件是示波管，如图所示是它的原理图。它由电子枪、偏转电极和荧光
屏组成，管内抽成真空。电子枪的作用是产生高速飞行的一束电子，前面例题1实际上讲的就是电子枪的原理。
3.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沿直线传播，打在荧光屏中心，在那里产生一个亮斑。
4.示波管的
YY’偏转电极上加的是待显示的信号电
压。这个电压是周期性的，XX’偏转电极通常接入仪器
自身产生的锯齿形电压，如图所示，叫做扫描电压。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了。
思考与讨论
判断示波管在各种情况下亮斑的位置
1.
如果在电极
XX'之间不加电压，但在
YY'之间加不变的电压，使Y的电势比Y'高（有时说这种情况是“Y正、Y'负”），电子束运动过程中受哪个方向的力？电子将打在荧光屏的什么位置？试着在图中标出来。
如果在
YY'之间不加电压，而在
XX'之间加不变的电压（X正、X'负），电子将打在荧光屏的什么位置？试着在图中标出来。
2.
如果在电极XX'之间不加电压，而在电极YY'之间所加的电压按如图甲所示
的规律随时间变化，在荧
光屏上会看到什么图形？
试着画出来。
3.
如果YY'之间的电压仍然如图甲所示，而在电极XX'之间加不变的电压（X正、X'负），在荧光屏上会看到什么图形？若
XX'之间的电压是“X负、X'正”呢？试着画出来。
4.
如果YY'之间的电压仍然如图甲所示，而在电极XX'之间所加的电压按如图乙所示的规律变化，在荧光屏上会看到什么图形？建议按以下步骤画图。
（1）在白纸上按如图乙所示
的样子画出荧光屏的放大图；
（2）在图上分别标出
O、A、B、C、t1、D、E、F、t2几个时刻光点在荧光屏上的位置；
（3）根据以上光点的位置，画出荧光屏上的图形。
科学足迹
密立根实验——电子电荷量的测定
1.在19世纪末发现电子以后，美国物理学家密立根进行了多次实验，比较准确地测定了电子的电量。
2.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。如果静电力的方向向上，并且大小正好与油滴所受的重力相等，那么油滴将悬浮在空间，由
此可以测定油滴所带的电荷量。
3.如图所示是密立根实验的示意图。两块水平放置的金属板分别与电源的正负极相接，板间产生匀强电场，方向竖直向下。用一个喷雾器把许多油滴从上板中间的小孔喷入电场。
4.在实验中要用显微镜来观察，找到悬浮不动的油滴，根据观察数据算出油滴的质量，再根据已知的电场强度算出油滴的电荷量。在进行了几百次测量以后，密立根发现油滴所带的电荷量虽不相同，但都是某个最小电荷量的整数倍，这个最小电荷量被认为是元电荷e，也就是电子的电荷量。
5.现代实验测出的电子电荷量是
e＝1.60×10-19C
【课堂训练】
1.如图所示装置，从A板释放的一个无初速电子向B板方向运动，下列对电子的描述中正确的是（　　）
A.电子到达B板时动能是eU
B.从B板到C板时动能变化为零
C.电子到达D板时动能是3eU
D.电子在A板和D板之间往复运动
ABD
2.如图所示，M、N是真空中的两块平行金属板，质量为m、电荷量为q的带电粒子，以初速度v0由小孔进入电场，当M、N间电压为U时，粒子恰好能到达N板，如果要使这个带电粒子到达M、N板间距的
后返回，
下列措施中能满足要求的是
（不计重力）（
　）
A.使初速度减为原来的1/2
B.使M、N间电压变成原来的1/2
C.使M、N间电压提高到原来的2倍
D.使初速度和M、N间电压都减为原来的1/2
CD
3.如图所示，空间存在两块相互平行的绝缘带电薄金属板A、B，间距为d，中央分别开有小孔O、P。现有甲电子以速率从O点沿OP方向运动，恰能运动到P点。若仅将B板向右平移距离d，再将乙电子从P′点由静止释放，则（
）
A.
金属板A、B组成的平行板
电容器的电容C不变
B.
金属板A、B间的电压减小
C.
甲、乙两电子在板间运动时的加速度相同
D.
乙电子运动到O点的速率为2v0
C
4.如图所示，两极板与电源相连接，电子从负极板边缘沿垂直电场方向射入匀强电场，电子恰好从正极板边缘飞出，现保持负极板不动，正极板在竖直方向移动，并使电子入射速度变为原来的4倍，而电子仍从原位置射入，且仍从正极板边缘飞出，则两极板间距离变为原来的（　）
A．2倍
B．4倍
C．1/2
D．1/4
D
5.如图所示，带电粒子a、b从同一点以相同速度射入平行板间的匀强电场中，速度与电场方向垂直，a、b分别打在M、N点，若OM＝MN，不计粒子的重力，则粒子a、b的（
　）
A．运动时间之比为1:2
B．加速度大小之比为2:1
C．比荷之比为4:1
D．位移大小之比为1:2
AC
6.如图所示是示波器的原理示意图，电子经电压为U1的加速电场加速后，进入电压为U2的偏转电场，离开偏转电场后打在荧光屏上的P点。P点与O点的距离叫偏转距离。要提高示波器的灵敏度（即单位偏转电压U2引起的偏转距离），下列办法中可行的是（　　）
A.提高加速电压U1
B.增加偏转极板ab的长度
C.减小偏转极板间的距离
D.增大偏转极板与荧光屏的距离
BCD
7．如图所示，一示波管偏转电极的长度d=6.0cm，两极间电场是均匀的，电场强度E=5×103V/m。一个电子以v0=4.0×107m/s的初速度沿管轴射入，已知电子质量m=9.0×10-31kg，电荷量
q=-1.6×10-19C。求：
（1）电子经过电极后，
发生的偏转量y
（2）若偏转电极右边缘到荧光屏距离L=12cm，求电子打在荧光屏上的光点偏离中心O的距离y0
y=1mm
y0=5mm
8.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，如果在荧光屏上P点出现亮斑，那么示波管中的（
）
A．极板x应带正电，极板y应带正电
B．极板x′应带正电，极板y应带正电
C．极板x应带正电，极板y′应带正电
D．极板x′应带正电，极板y′应带正电
A
9.示波管内部结构如图所示，如果在电极YY′之间加上图(a)所示的电压，在XX′之间加上图(b)所示电压，荧光屏上会出现的波形是（　）
C
10.图(a)为示波管的原理图。如果在电极YY
′之间所加的电压图按图(b)所示的规律变化，在电极XX′之间所加的电压按图(c)所示的规律变化，则在荧光屏上会看到的图形是（
）
B