带电粒子在电场中的运动
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文档简介
(共31张PPT)
仪器名称：示波器 型 号：COS5100
高中物理新人教版选修３-１系列课件
教学目标
知识与能力：
1、学习运用静电力、电场强度等概念研究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、学习运用静电力做功、电势、电势差、等势面等概念研究带电粒子在电场中运动时的能量转化。
3．知道示波管的主要构造和工作原理。体会静电场知识对科学技术的影响。
4．渗透物理学方法的教育：运用理想化方法，突出主要因素，忽略次要因素，不计粒子重力。
5．培养综合分析问题的能力，体会物理知识的实际应用。
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。
一、带电粒子的重力是否忽略的问题
电场中的带电体一般可分为两类：
1、带电的基本粒子：如电子，质子，正负离子等。这些粒子所受重力和电场力相比在小得多，即mg qE，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。
比如，一电子在电场强度为 的电场中，它受到的电场力 它受到的重力 ,
可见，重力在所研究的问题中的影响微不足道，重力完全可忽略不计。
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。
（但并不能忽略质量）。
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
3、带电粒子的平衡：
若带电粒子在电场中所受合力为零时，即∑F＝0时，子将保持静止状态
或匀速直线运动状态。
例 ：带电粒子在电场中处于静止状态，该粒子带正电还是负电
分析：带电粒子处于静止状态，∑F=0，Eq=mg，因为所受重力竖直向下，所
以所受电场力必为竖直向上。又因为场强方向竖直向下，所以（图一）带电粒子
带负电，（图二）带电粒子带正电。
Eq
mg
Eq
mg
( 图一 ）
（ 图二 ）
二、带电粒子在电场中的运动类型
(一)、带电粒子(微粒)在电场中的直线加速问题
(二)、带电粒子(微粒)在电场中的偏转问题
E1
（加速电压）
(1)用牛顿运动定律与运动规律综合分析
(2)用动能定理分析
+
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
_
_
_
_
_
U
U
E
加速
匀速
匀速
+qm
V0
V=
1.加速电场模型
二、带电粒子在电场中的运动类型
(一)、带电粒子(微粒)在电场中的直线加速问题
E1
（加速电压）
1、受力分析:
水平向右的电场力
F＝ Eq = qU/d
2、运动分析:
初速度为零，加速度为a = qU/md的向右匀加速直线运动。
二、带电粒子在电场中的运动类型
(一)、带电粒子(微粒)在电场中的直线加速问题
E1
（加速电压）
基本思路：在匀强电场中
(1)牛顿第二定律与运动规律综合处理
(2)动能定理
根据牛顿第二定律：a = F/m = eU/dm
和运动学公式：v2 =2ad
得
根据动能定理：eU = mv2/2
粒子加速后的速度只与加速电压有关
例1：右图所示，两平行金属板间加一
电压U，有一带正电荷q、从正极板向
负极板运动。则
（1）带电粒子在电场中作什么运动？
（2）粒子穿出负极板时的速度多大？
（3）粒子穿出负极板后做什么运动？
← U1→
+
+
v0
v
解析：对于粒子来说，一般有mg<＜F，故可忽略。
(1)带电粒子在电场中以加速度a=F/m=qU/md做匀加速直线运动。
(2)由v2-vo2=2ad 解得：
或：由动能定理
qU=mv2/2-mv02/2解得：
思考与讨论：
由于电场力做功与场强是否匀强无关，只于始末位置电势差有关，第二种方法仍适用！
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
侧移
二、带电粒子在匀强电场中的偏转
类平抛运动
与粒子比荷q/m成正比
与粒子初速度v0平方成反比
与电场的属性U、l、d有关
二、带电粒子在匀强电场中的偏转
与粒子比荷q/m成正比
与粒子初速度v0平方成反比
与电场的属性U、l、d有关
类平抛运动
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
φ
v
v0
vy
+
_
U1
U2
v0
-q
m
y
L
三、 加速和偏转一体
【例3】如图所示，从灯丝发出的电子经
加速电场加速后，进入偏转电压为U2，要
使电子在电场中的偏转量y增大为原来的2
倍，下列方法中正确的是 [ ]
ABD
B．使U2增大为原来的2倍
C．使偏转板的长度增大为原来2倍
四、示波管的原理
（1）示波器：用来观察电信号随时间变化的电子仪器。其核心部分是示波管
（2）示波管的构造：由电子枪、偏转电极和荧光屏组成（如图）。
（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。
4、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
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
【练习1】如图，氢核（ ）、氘核（ ）、氚核（ ）分别由左孔由静止释放，后由右孔射出，则：
⑴ 射出时的动能之比为___________
⑵ 射出时的速度之比为___________
U
－+
1:1:1
【练习2】如图，已知平行板间电压为U。A点到两板距离相等，B点位于下极板边缘一点。一带电粒子质量为m，电荷量为+q，从A点以初速度v0垂直于场强方向射入电场中，后从B处射出。不计粒子重力。求粒子射出电场时的速度v
v0
v
B
A
【练习3】如图，两质子分别以速度 v 和 2v 垂直场强方向射入同一匀强电场中，则两质子
⑴ 在电场中运动时间之比为_______
⑵ 离开电场时沿场强方向偏移的距离之比为________
v0
α
y
y′
L
l
2:1
4:1
【练习4】如图，一束电子以相同的速度垂直场强方向射入匀强电场中，此时板间电压为 U ，电子束沿场强方向的偏移距离为 y 。若将板间电压增加为 2U ，则此时电子束沿场强方向的偏移距离为____________
2y
v0
α
y
y′
L
l
【练习5】如图所示，带负电的小球静止在水平放置的平行板电容器两板间，距下板0.8 cm，两板间的电势差为300 V。如果两板间电势差减小到60 V，则带电小球运动到极板上需多长时间
解析：取带电小球为研究对象，设它带电量为q，则带电小球受重力mg和电场力qE的作用。
当U1＝300 V时，小球平衡：
当Ｕ2＝60 V时，带电小球向下板做
匀加速直线运动：
②
由①②③得：
= 4.5×10－2 s
①
又
③
让一价氢离子、一价氦离子和二价氦离子的混合物经过同一加速电场由静止开始加速，然后在同一偏转电场里偏转，它们是否会分为三股？请说明理由。
课后拓展
答案：粒子的偏转量和偏转角由加速电场和偏转电场决定，所以三种粒子不可能分开为三股。
仪器名称：示波器 型 号：COS5100
高中物理新人教版选修３-１系列课件
教学目标
知识与能力：
1、学习运用静电力、电场强度等概念研究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、学习运用静电力做功、电势、电势差、等势面等概念研究带电粒子在电场中运动时的能量转化。
3．知道示波管的主要构造和工作原理。体会静电场知识对科学技术的影响。
4．渗透物理学方法的教育：运用理想化方法，突出主要因素，忽略次要因素，不计粒子重力。
5．培养综合分析问题的能力，体会物理知识的实际应用。
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。
一、带电粒子的重力是否忽略的问题
电场中的带电体一般可分为两类：
1、带电的基本粒子：如电子，质子，正负离子等。这些粒子所受重力和电场力相比在小得多，即mg qE，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。
比如，一电子在电场强度为 的电场中，它受到的电场力 它受到的重力 ,
可见，重力在所研究的问题中的影响微不足道，重力完全可忽略不计。
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。
（但并不能忽略质量）。
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
3、带电粒子的平衡：
若带电粒子在电场中所受合力为零时，即∑F＝0时，子将保持静止状态
或匀速直线运动状态。
例 ：带电粒子在电场中处于静止状态，该粒子带正电还是负电
分析：带电粒子处于静止状态，∑F=0，Eq=mg，因为所受重力竖直向下，所
以所受电场力必为竖直向上。又因为场强方向竖直向下，所以（图一）带电粒子
带负电，（图二）带电粒子带正电。
Eq
mg
Eq
mg
( 图一 ）
（ 图二 ）
二、带电粒子在电场中的运动类型
(一)、带电粒子(微粒)在电场中的直线加速问题
(二)、带电粒子(微粒)在电场中的偏转问题
E1
（加速电压）
(1)用牛顿运动定律与运动规律综合分析
(2)用动能定理分析
+
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
_
_
_
_
_
U
U
E
加速
匀速
匀速
+qm
V0
V=
1.加速电场模型
二、带电粒子在电场中的运动类型
(一)、带电粒子(微粒)在电场中的直线加速问题
E1
（加速电压）
1、受力分析:
水平向右的电场力
F＝ Eq = qU/d
2、运动分析:
初速度为零，加速度为a = qU/md的向右匀加速直线运动。
二、带电粒子在电场中的运动类型
(一)、带电粒子(微粒)在电场中的直线加速问题
E1
（加速电压）
基本思路：在匀强电场中
(1)牛顿第二定律与运动规律综合处理
(2)动能定理
根据牛顿第二定律：a = F/m = eU/dm
和运动学公式：v2 =2ad
得
根据动能定理：eU = mv2/2
粒子加速后的速度只与加速电压有关
例1：右图所示，两平行金属板间加一
电压U，有一带正电荷q、从正极板向
负极板运动。则
（1）带电粒子在电场中作什么运动？
（2）粒子穿出负极板时的速度多大？
（3）粒子穿出负极板后做什么运动？
← U1→
+
+
v0
v
解析：对于粒子来说，一般有mg<＜F，故可忽略。
(1)带电粒子在电场中以加速度a=F/m=qU/md做匀加速直线运动。
(2)由v2-vo2=2ad 解得：
或：由动能定理
qU=mv2/2-mv02/2解得：
思考与讨论：
由于电场力做功与场强是否匀强无关，只于始末位置电势差有关，第二种方法仍适用！
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
侧移
二、带电粒子在匀强电场中的偏转
类平抛运动
与粒子比荷q/m成正比
与粒子初速度v0平方成反比
与电场的属性U、l、d有关
二、带电粒子在匀强电场中的偏转
与粒子比荷q/m成正比
与粒子初速度v0平方成反比
与电场的属性U、l、d有关
类平抛运动
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
φ
v
v0
vy
+
_
U1
U2
v0
-q
m
y
L
三、 加速和偏转一体
【例3】如图所示，从灯丝发出的电子经
加速电场加速后，进入偏转电压为U2，要
使电子在电场中的偏转量y增大为原来的2
倍，下列方法中正确的是 [ ]
ABD
B．使U2增大为原来的2倍
C．使偏转板的长度增大为原来2倍
四、示波管的原理
（1）示波器：用来观察电信号随时间变化的电子仪器。其核心部分是示波管
（2）示波管的构造：由电子枪、偏转电极和荧光屏组成（如图）。
（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。
4、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
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
【练习1】如图，氢核（ ）、氘核（ ）、氚核（ ）分别由左孔由静止释放，后由右孔射出，则：
⑴ 射出时的动能之比为___________
⑵ 射出时的速度之比为___________
U
－+
1:1:1
【练习2】如图，已知平行板间电压为U。A点到两板距离相等，B点位于下极板边缘一点。一带电粒子质量为m，电荷量为+q，从A点以初速度v0垂直于场强方向射入电场中，后从B处射出。不计粒子重力。求粒子射出电场时的速度v
v0
v
B
A
【练习3】如图，两质子分别以速度 v 和 2v 垂直场强方向射入同一匀强电场中，则两质子
⑴ 在电场中运动时间之比为_______
⑵ 离开电场时沿场强方向偏移的距离之比为________
v0
α
y
y′
L
l
2:1
4:1
【练习4】如图，一束电子以相同的速度垂直场强方向射入匀强电场中，此时板间电压为 U ，电子束沿场强方向的偏移距离为 y 。若将板间电压增加为 2U ，则此时电子束沿场强方向的偏移距离为____________
2y
v0
α
y
y′
L
l
【练习5】如图所示，带负电的小球静止在水平放置的平行板电容器两板间，距下板0.8 cm，两板间的电势差为300 V。如果两板间电势差减小到60 V，则带电小球运动到极板上需多长时间
解析：取带电小球为研究对象，设它带电量为q，则带电小球受重力mg和电场力qE的作用。
当U1＝300 V时，小球平衡：
当Ｕ2＝60 V时，带电小球向下板做
匀加速直线运动：
②
由①②③得：
= 4.5×10－2 s
①
又
③
让一价氢离子、一价氦离子和二价氦离子的混合物经过同一加速电场由静止开始加速，然后在同一偏转电场里偏转，它们是否会分为三股？请说明理由。
课后拓展
答案：粒子的偏转量和偏转角由加速电场和偏转电场决定，所以三种粒子不可能分开为三股。