人教版高二物理选修3-1第一章电场1.9带电粒子在电场中的运动 (共46张PPT)

(共46张PPT)
==新课标物理选修（3-1）：
第一章：
《静电场》
1.9
带电粒子在电场中的运动
对放入电场中的电荷有力的作用。
电荷会有加速度。
加速度a可能是恒定的也可能是变化的。
速度v
的大小和方向都有可能发生变化。
轨迹既可能是直线也可能是曲线。
a
。
v
。
轨迹
。
增大
增大
直线
A
E
v
a
。
v
。
轨迹
。
减小
减小
曲线
电场的基本性质是:
新课引入：
带电粒子在匀强电场中运动状态：
匀变速直线运动—加速、减速
匀变速曲线运动—偏转
1.平衡
（F合=0）
2.匀变速运动
（F合≠0）
静止
匀速直线运动
可能是
新课引入：
带电粒子在电场中的平衡问题
带电粒子的圆周运动
带电粒子不规则复杂运动
直线运动
曲线运动
带电粒子在电场中
受电场力
产生加速度
使速度变化
利用电场
使带电粒子
加速
偏转
新课引入：
带电粒子在电场中的二类基本运动：
一、带电粒子在电场中的加速
二、带电粒子在电场中的偏转
新课引入：
（一）动能定理
（二）平抛运动
（三）电场力做功
y
x
vy
vx
v
y
x
φ
0
v0
预备知识：
1.内容
2.公式
1.研究方法
2.运动规律
1.匀强电场——恒力
2.任何电场
F=qE
电场强度
电势差
预备知识：
3、带电体：是否考虑重力，要根据题目暗示或运动状态来判定.
注：带电粒子所受重力一般远小于电场力，
一般都不考虑重力(有说明或暗示除外).
2、宏观带电微粒：如带电小球、液滴、尘埃等.
一、带电粒子
注意：忽略粒子的重力并不是忽略粒子的质量
关于带电粒子重力是否考虑的问题
一般可分为两类
1、微观带电粒子：如电子、质子、离子等.
注：一般都考虑重力(有说明或暗示除外).
F/G=？你会发现什么？
G=mg=9×10-30N
F/G=1×1015
F=qE=8×10-15N
电子、质子、离子等微观带电粒子所受重力一般远小于电场力，重力可以忽略（有说明或暗示除外）。
注意：忽略粒子的重力并不是忽略粒子的质量
一、带电粒子
一个电子的质量为0.91×10-30
kg,
电荷量e=1.6×10-19
C，当它位于E=5×104V/m的电场中时:
受到的重力G为多大？
受到的电场力F为多大？
1、动力学观点：
A
B
U
d
E
+
F
v
由牛顿第二定律：
由运动学公式：
初速度不为零呢？
只适用于匀强电场
二、带电粒子的加速
电场力:F
=qE
【例题】在加上电压U并处于真空中相距d的平行金属板间有一正电荷q,
质量为m,只在电场力作用下从静止释放，电荷将做什么运动？到达B板的速度多大？
粒子加速后的速度只与加速电压有关
2、能量观点：
A
B
U
d
E
+
v
由动能定理：
适用于
任何电场
电场力做功:W=qU
速度v与电势差U、比荷q/m的平方根成正比与距离d无关
初速度不为零呢？
用动能定理解题简便
【例题】在加上电压U并处于真空中相距d的平行金属板间有一正电荷q,
质量为m,只在电场力作用下从静止释放，电荷将做什么运动？到达B板的速度多大？
二、带电粒子的加速
若两极板间不是匀强电场，该用何种方法求解？为什么？
思考
若粒子的初速度为零,则:
若粒子的初速度不为零,则:
二、带电粒子的加速
～
直线加速器
粒子在每个加速电场中的运动时间相等，因为交变电压的变化周期相同。
二、带电粒子的加速
北京正负电子对撞机的直线加速器
解:根据动能定理得:
例题1：炽热的金属丝可以发射电子。在金属丝和金属板间加以电压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？设电子刚离开金属丝时的速度为零。
1、下列粒子由静止经加速电压为U的电场加速后，
哪种粒子动能最大
（
）
哪种粒子速度最大
（
）
A、质子
B、电子
C、氘核
D、氦核
例与练
与电量成正比
与比荷平方根成正比
D
B
2、如图所示，M、N是在真空中竖直放置的两块平行金属板，质量为m、电量为+q的带电粒子，以极小的初速度由小孔进入电场，当M、N间电压为U时，粒子到达N板的速度为v，如果要使这个带电粒子到达N板的速度为2v
，则下述方法能满足要求的是
（
）
A、使M、N间电压增加为2U
B、使M、N间电压增加为4U
C、使M、N间电压不变，距离减半
D、使M、N间电压不变，距离加倍
例与练
M
N
U
d
+
v与电压平方根成正比
B
3、如图M、N是在真空中竖直放置的两块平行金属板，质量为m电量为-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，粒子刚好能到达N板，如果要使这个带电粒子能够到达M、N两板间距的1/2处返回，则下述方法能满足要求的是
（
）
A、使初速度减半
B、使M、N间电压加倍
C、使M、N间电压提高4倍
D、使初速度和M、N间电压都加倍
例与练
M
N
U
d
-
v0
B
4、如图所示的电场中有A、B两点，A、B的电势差UAB＝100V，一个质量为m=2.0×10-12kg、电量为q=-5.0×10-8C的带电粒子，以初速度v0
=3.0×103m/s由A点运动到B点，求粒子到达B点时的速率。（不计粒子重力）
例与练
A
-
v0
B
q为负
5、如图所示，A、B为平行金属板电容器，两板间的距离为d，在A板的缺口的正上方距离为h的P处，有一静止的、质量为m、带电量为+q的液滴由静止开始自由落下，若要使液滴不落在B板上，两板间的电压U至少为多大？两板间场强E至少为多大？
例与练
mg
mg
qE
对全过程由动能定理：
三、带电粒子的偏转
【例题】如图一带电粒子以垂直匀强电场的场强方向以初速度v0射入电场，若不计粒子的重力，带电粒子将做什么运动？
l
d
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
U
v0
q、m
+
+
vy
θ
v
v0
y
受力分析：
仅受竖直向下的电场力
运动分析：
粒子有水平方向初速度，
做类平抛运动
匀速直线运动
垂直电场方向：
匀加速直线运动
沿电场方向：
1.加速度:
2.飞行时间:
3.侧移距离:
4.偏向角:
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
l
v0
d
U
-q
m
θ
v
v0
v⊥
θ
y
x
类平抛运动
偏转角
偏移量
F
三、带电粒子的偏转
3.侧移距离:
4.偏角:
例2、如图所示,相距为d长度为l的平行板AB加上电压后,可在A、B之间的空间中产生电场,在A、B左端距AB等距离处的O点,有一电量为+q质量为m的粒子以初速度V0沿水平方向(与A、B板平行)射入.不计重力,要使此粒子能从C处射出,则A、B间的电压应为(
)
A.
B.
C.
D.
A
Vo
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
d
A
B
O
C
即学即练
三、带电粒子的偏转
A
B
U1
E
+
F
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
U2
+
vy
θ
y
v
v0
拓展1、带电粒子经同一加速场到同一偏转场
结论：带电粒子由静止经同一电场加速，再垂直进入同一偏转电场，它们飞出的侧移量y和偏转角θ都是相同的，也就是说运动轨迹是完全重合的，与m、q无关，但与电性有关。
拓展2、试证明：带电粒子垂直进入偏转电场，离开电场时就好象是从初速度所在直线的中点沿直线离开电场的。
推论:粒子从偏转电场中射出时,其速度反向延长线与初速度方向交一点,此点平分沿初速度方向的位移。
例3、如图所示,初速度为零的α粒子和电子在电势差为U1的电场中加速后,垂直进入电势差为U2的偏转电场,在满足电子能射出偏转电场的条件下,正确的说法是(
)
A.
α粒子的偏转量大于电子的偏转量
B.
α粒子的偏转量小于电子的偏转量
C.
α粒子的偏转角大于电子的偏转角
D.
α粒子的偏转角等于电子的偏转角
D
U2
U1
带电粒子的偏移量由系统决定,而与粒子的质量、电荷量无关
即学即练
原理图
+
+
+
-
-
-
V0
L
P
Y’
Y
?
①
③
②
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。
偏转电极的不同放置方式
四、示波器的原理
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
产生高速飞行的电子束
待显示的电压信号
锯齿形扫描电压
使电子沿Y方向偏移
使电子沿x方向偏移
四、示波管的原理
信号电压：
示波器的
偏转电极上加的是待显示的电压。
扫描电压：
偏转电极上通常加的是自身产生的锯齿形电压
四、示波管的原理
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？
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）
Xˊ
X
Y
Yˊ
思考与讨论
1.都没有加电压
1.每个电子在电场中运动时间很短
3.不同时刻进入电场的电子
2.每一个电子
可认为在电压不变的匀强电场中偏转
偏转电压不同.
屏上亮斑位置不同.
若所加电压稳定，则电子流被加速、偏转后射到
XX'或（
YY'）所在直线上某一点，形成一个亮斑（不在中心）
2.仅在XX'或（YY'）加电压：
思考与讨论
已知：U1、l、YY?偏转电极的电压U2、板间距d
、
板端到荧光屏的距离L。
求：电子射出偏转电场时的偏向角正切值tanφ及打到屏上电子的偏移量y?。
偏移量与YY?偏转电极的电压U2成正比
原理分析：
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
2.仅在XX'加电压：
思考与讨论
由于视觉暂留和荧光物质的残光特性，形成稳定且水平的亮线
匀速的、持续的扫描
Y
Y’
X’
X
只在YY?电极间加偏转电压Ｕ
信号电压
若只在YY
?加持续变化的信号电压呢?
思考与讨论
3.仅在YY'加电压：
如果在XX之间不加电压,而在YY’之间所加的电压按图所示的规律随时间变化，在荧光屏会看到什么图形？
Y
Y’
X’
y随信号电压同步变化，但由于视觉暂留和荧光物质的残光特性，只能看到一条竖直的亮线
X
示波器图象
思考与讨论
3.仅在YY'加电压：
怎样在荧光屏上显示信号电压的正弦波形？
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
思考与讨论
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
X
Y
Y’
X’
UX
t
示波器图象
思考与讨论
B
四、示波管的原理
AC
四、示波管的原理
科学足迹
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是
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)。
加速度：
偏移距离：
偏移角度:
竖直方向：
水平方向：
A
B
U
d
E
+
v
知识回顾
偏转
加速
谢谢!