人教版高中物理选修3-1第一章第9节带电粒子在电场中的运动(共39张PPT)

(共39张PPT)
1.9带电粒子在电场中的运动
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？
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
3、某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗示或运动状态来判定
电场中的带电粒子一般可分为两类：
1、带电的基本粒子：如电子，质子，α粒子，正负离子等。这些粒子所受重力和电场力相比小得多，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。（但并不能忽略质量）。
2、带电微粒：如带电小球、液滴、尘埃等。除非有说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。
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
mg
qE
+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
_
_
_
_
_
U
E
+q.m
V0=0
一、带电粒子的加速
V=?
d
方法1：运用运动学和动力学方法求解
方法2：运用能量观点求解(一般用动能定理)
思考:在非匀强电场中,上述结果是否仍然适用？
1.运用运动学和动力学方法求解，设板间
距为d,因电场力为恒力，所以有
2.
运用能量观点求解
注：方法2不仅适用于匀强电场也适用于非匀强电场。
速度与电势差U、比荷有关，与距离d无关
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。
二、带电粒子在匀强电场中的偏转
l
d
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
U
v0
q、m
二、带电粒子在匀强电场中的偏转
l
d
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
U
v0
q、m
F
+
v
v0
vy
y
θ
偏转角
偏移距离
类平抛运动
平抛运动的规律主要有哪些方面？
动能定理：
平行于板面方向:
垂直于板面方向:
类平抛公式规律：
F
X轴
y轴
A
B
U,
m,
粒子好象是从入射线中点直接射出来的
1、受力分析：
电子受到竖直向下的电场力F＝Eq=qU/d
2、运动分析:
电子作类平抛运动。
U
L
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
Y
d
Y′
v0
F
V
例题2：如图所示，在真空中水平放置一对金属板Y和Y’，板长为L，板间距离为d。在两板间加以电压U，一电子（质量为m）从极板中央以水平速度v0射入电场。求电子射出电场时垂直于板面方向偏移的距离y和偏转的角度θ
(不计粒子的重力)
解:电子进入偏转电场后,在竖直方向做初速度为零的匀加速直线运动.
加速度
所以偏移距离
所以偏移角度
水平方向做匀速直线运动
1、如图，电子在电势差为U1的加速电场中由静止开始加速，然后射入电势差为U2的两块平行极板间的电场中，入射方向跟极板平行。整个装置处在真空中，重力可忽略。在满足电子能射出平行板区的条件下，下述四种情况中，一定能使电子的偏转角θ变大的是
（
）
A、U1变大、U2变大
B、U1变小、U2变大
C、U1变大、U2变小
D、U1变小、U2变小
练习
析与解
对加速过程由动能定理：
对偏转过程由偏转角正切公式：
d
U
l
U
1
2
2
=
d
U
l
U
y
1
2
2
4
=
B、U1变小、U2变大
１、构造
电子枪
偏转电极
-
+
荧光屏
Y
Y’
X
X’
Y
Y’
X
X’
（1）电子枪：发射并加速电子
（2）偏转电极：YY′使电子束竖直偏转；XX′使电子束水平偏转
（3）荧光屏：电子束打到荧光屏上能使该处的荧光物质发光。
三、示波管的原理
Y
Y’
X
X’
-
+
-
-
+
-
若金属板水平放置
电子将竖直偏转
若金属板竖直放置
电子将水平偏转
偏转电极的放置方式
2、原理
（１）ＹＹ′的作用：出电场后做匀速直线运动打到荧光屏上，可推得在竖直方向偏移Y：
v0
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
U2
d
l
v
y
θ
vy
_
+
U1
-q
m
v0
O
Y
L
由相似三角形：
或
若在YY
?间加持续变化的信号电压
u
t
0
（2）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
UX
t
扫描电压
（3）ＸＸ′的作用：同理可得亮斑在水平方向偏移随加在ＸＸ′上的电压而变化，若所加的电压为特定的周期性变化电压则亮斑在水平方向来回运动－－扫描，如果扫描电压变化很快，亮斑看起来为一条水平的亮线．
示波器图象
Y
Y’
X’
X
如果在YY’之间加如图所示的交变电压，同时在XX’之间加锯齿形扫描电压，在荧光屏上会看到什么图形？
X
Y
O
A
B
C
D
E
F
A
B
C
D
E
F
A
B
O
C
t1
D
E
F
t2
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
课堂小结：
一、利用电场使带电
粒子加速
二、利用电场使带电粒
子偏转
从动力学和运动学角度分析
从做功和能量的角度分析
类似平抛运动的分析方法
粒子在与电场垂直的方向上做
匀速直线运动
粒子在与电场平行的方向上做初速度为零的匀加速运动　
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11H．
B.氘核12H．
C.α粒子24He．
D.钠离子（Na+）
练习
与电量成正比
与比荷平方根成正比
C
A
2、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：
3、
a、b、c三个α
粒子由同一点垂直场强方向进入偏转电场，其轨迹如图所示，其中b恰好飞出电场，由此可以肯定（
）?
①在b飞离电场的同时，a刚好打在负极板上
②b和c同时飞离电场
③进入电场时，c的速度最大，a的速度最小
④动能的增量相比，c的最小，a和b的一样大
A.①
B.①②
C.③④
D.①③④
D
4、一个电荷量为-q质量为m的带电粒子，由静止进入一个电压为U1的加速电场加速后，又垂直进入一个电压为U2的偏转电场，经偏转电场偏转后打在荧光屏上,整个装置如图示.求:
(1)出偏转电场时的偏移距离y；
(2)出偏转电场时的偏转角　；
(3)打在荧光屏上时的偏移距离Y.
v0
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
U2
d
l
v
y
θ
vy
_
+
U1
-q
m
v0
O
Y
L
θ
v0
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
U2
d
l
v
y
θ
vy
_
+
U1
-q
m
v0
O
Y
L
经加速电场U1加速后:
经偏转电场U2偏转后:
(1)偏移距离y:
d
mv
ql
U
2
0
2
2
=
2
y
(2)偏转角　:
θ
d
mv
qlU
2
0
=
2
tan
q
(3)偏移距离Y:
q
tan
)
L
2
(
l
Y
+
=
d
U
l
U
1
2
2
=
d
U
l
U
1
2
2
4
=
5、如图所示，两平行金属板竖直放置，左极板接地，中间有小孔。右极板电势随时间变化的规律如图所示。电子原来静止在左极板小孔处。（不计重力作用）下列说法中正确的是(
)
A.从t=0时刻释放电子，电子将始终向右运动，直到打到右极板上
B.从t=0时刻释放电子，电子可能在两板间振动
C.从t=T/4时刻释放电子，电子可能在两板间振动，也可能打到右极板上
D.从t=3T/8时刻释放电子，电子必将打到左极板上
t
u
U0
-U0
o
T/2
T
3T/2
2T
AC
6.如图所示，在P板附近有一电子由静止开始向Q板运动，则关于电子到达Q板时的速度，下列说法正确的是：
A、两板间距离越大，加速的时间就越长，获得的速度就越大
B、两板间距离越小，加速度就越大，获得的速度就越大
C、与两板间距离无关，仅与加速电压有关
D、以上说法均不正确
+
-
-
Q
P
C
例题6：如图所示，有一电子(电量为e、质量为m)经电压U1加速后，沿平行金属板A、B中心线进入两板，A、B板间距为d、长度为l，
A、B板间电压为U2，屏CD足够大，距离A、B板右边缘2l，AB板的中心线过屏CD的中心且与屏CD垂直。试求电子束打在屏上的位置到屏中心间的距离。
【练习1】：如图所示，A、B为平行金属板，两板相距为d，分别与电源两极相连，两板的中央各有一小孔M和N．今有一带电质点，自A板上方相距为d的P点由静止自由下落(P、M、N在同一竖直线上)，空气阻力忽略不计，到达N孔时速度恰好为零，然后沿原路返回．若保持两极板间的电压不变，则（
）
A．把A板向上平移一小段距离，质
点自P点自由下落后仍能返回
B．把A板向下平移一小段距离，质点自
P点自由下落后将穿过N孔继续下落
C．把B板向上平移一小段距离，质点
自P点自由下落后仍能返回
D．把B板向下平移一小段距离，质点
自P点自由下落后将穿过N孔继续下落
AD
【练习3】：带等量异种电荷的平行金属板，其间距为d，两板问的电势差为U，极板与水平方向成37°角放置，有一质量为m的带电粒子从下极板上端附近释放，恰好沿水平方向从上极板下端穿过电场，求:
(1)粒子带何种电荷?电量多少?
(2)粒子的加速度多大?粒子射出电场时的速度多大?
【练习4】：如图所示，两平行金属板间有一匀强电场，板长为L，板间距离为d，在板右端L处有一竖直放置的光屏M，一带电荷量为q，质量为m的质点从两板中央射入板间，最后垂直打在M屏上，则下列结论正确的是(　　)
A．板间电场强度大小为mg/q
B．板间电场强度大小为2mg/q
C．质点在板间的运动时间和它从板的右
端运动到光屏
的时间相等
D．质点在板间的运动时间大于它从板的右端运动到光屏
的时间
BC
例题1：实验表明，炽热的金属丝可以发射电子。在炽热金属丝和金属板间加以电压U=2500V，从炽热金属丝发射出的电子在真空中被加速后，从金属板的小孔穿出。电子射出后的速度有多大？设电子刚从金属丝射出时的速度为零。
电子的质量为m=0.91×10-30
kg
电子的电荷量e=1.6×10-19
C
两板的距离为20cm
垂直电
场方向:
沿电场
方向:
ay=F/m=qE/m=qU/md
运动分析
Vt2=V02+Vy2
Φ=?
做类似平抛运动
Vx=V0
X
=V0t
粒子在与电场平行的方向上做初速为零的匀加速运动
结论：
带电粒子初速度垂直于电场方向飞入匀强电场的问题就是一个类平抛的问题
粒子在与电场垂直的方向上做匀速直线运动