粤教版（2019）物理必修第三册 2.2 带电粒子在电场中的运动 课件(67张ppt）

第二章　静电场的应用
第二节　带电粒子在电场中的运动
学习目标
1.了解带电粒子在电场中的运动特点
2．会运用静电力、电场强度的概念，根据牛顿运动定律及运动学公式研究带电粒子在电场中的运动
3．会运用静电力做功、电势、电势差的概念，根据功能关系研究带电粒子在电场中的运动
4．了解示波管的构造和基本原理
5．了解密立根油滴实验的原理
学法指导
1.通过带电粒子在电场中的偏转学会类比的研究方法
2．通过带电粒子在电场中加速、偏转过程的分析，培养学生的分析、推理能力
3．观察示波管，知道其主要构造和工作原理，体会静电场知识在科学技术中的应用
4．通过知识的应用，培养学生运用科学知识解决实际问题的能力
知识导图
预习导学 | 新知领悟
1．基本粒子的受力特点：对于质量很小的基本粒子，如电子、质子等，它们受到重力的作用一般__________静电力，故可以________．
带电粒子的加速
远小于
忽略
为零
相同
动能
动能定理是分析带电粒子在电场中加速常用的方法，试想该方法适用于非匀强电场吗？
如图所示，在匀强电场(场强大小为E)中，一带电荷量为－q的粒子(不计重力)的初速度v0的方向恰与电场线方向相同，则带电粒子在开始运动后，将 (　　)
A．沿电场线方向做匀加速直线运动
B．沿电场线方向做变加速直线运动
C．沿电场线方向做匀减速直线运动
D．偏离电场线方向做曲线运动


【答案】C
【解析】带电粒子受到与运动方向相反的恒定的电场力作用，产生与运动方向相反的恒定加速度，因此，带电粒子在开始运动后，将沿电场线做匀减速直线运动，故C正确．
质量为m、带电荷量为q的基本粒子(忽略重力)，以初速度v0平行于两极板进入匀强电场，极板长为l，板间距离为d，板间电压为U.
带电粒子的偏转


1．运动性质
(1)沿初速度方向：速度为v0的____________运动．
(2)垂直v0的方向：初速度__________，加速度为a＝________的匀加速直线运动．
匀速直线
为零
【答案】偏转电场为匀强电场；带电粒子以初速度v0，必须垂直于电场线方向进入电场．
带电粒子在电场中做类平抛运动的条件是什么？
如图所示，从炽热的金属丝逸出的电子(速度可视为零)，经加速电场加速后从两极板中间垂直射入偏转电场．电子的重力不计．在满足电子能射出偏转电场的条件下，下述四种情况中，一定能使电子的偏转角变大的是 (　　)
A．仅将偏转电场极性对调
B．仅增大偏转电极间的距离
C．仅增大偏转电极间的电压
D．仅减小偏转电极间的电压
【答案】C
1．构造：示波管主要由__________、__________(XX′和YY′)、________组成，管内抽成真空．
2．原理
(1)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________点．
(2)带电粒子在______区域是沿直线加速的，在____区域是偏转的．
示波管的原理
电子枪
偏转电极
荧光屏
中心O
Ⅰ
Ⅱ
(3)若UYY′>0，UXX′＝0，则粒子向________板偏移；若UYY′＝0，UXX′>0，则粒子向____板偏移．
Y
X
【答案】偏转电极不加电压，电子束沿直线做匀速直线运动打在荧光屏中心位置，形成一个亮斑．
当示波管的偏转电极没有加电压时，电子束将打在荧光屏上什么位置？

【答案】D
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1．带电量为q的粒子经过电势差为U的电场加速，电场力做的功是多少？
【答案】带电量为q的粒子经过电势差为U的电场加速，电场力做的功W＝qU.
带电粒子的加速
2．怎样计算带电粒子被电场加速之后的速度？
2．处理方法
可以从动力学和功能关系两个角度进行分析，其比较如下：
项目
动力学角度
功能关系角度
涉及知识
应用牛顿第二定律结合匀变速直线运动公式
功的公式及动能定理
选择条件
匀强电场，静电力是恒力
可以是匀强电场，也可以是非匀强电场，电场力可以是恒力，也可以是变力
精例1　如图所示，一个质子以初速度v0＝5×106 m/s水平射入一个由两块带电的平行金属板组成的区域．两板距离为20 cm，设金属板之间电场是匀强电场，电场强度为3×105 N/C．质子质量m＝1.67×10－27 kg，电荷量q＝1.60×10－19 C．求质子由右边板上小孔射出电场时的速度大小．
【答案】6×106 m/s


【答案】C
　带电微粒加速问题的分析方法
1．若带电粒子沿与电场线平行的方向进入匀强电场，所受的电场力与运动方向在同一条直线上，带电粒子做匀变速直线运动，此时可应用牛顿第二定律结合运动学公式求解，也可应用动能定理求解．
2．若带电粒子沿与电场线平行的方向进入非匀强电场中时，带电粒子做非匀变速直线运动，此时只能应用动能定理求解．
1．偏转电极加上偏转电压U，质量为m，带电量为q的粒子以垂直于电场方向的初速度v0进入板长为l，宽度为d的偏转电场(不计重力)，如图所示．问：
带电粒子的偏转
(1)带电粒子从进入电场到离开电场的时间是多少？加速度是多少？离开电场时的偏移量是多少？
(2)离开电场时的偏转角的正切值是多少？
2．初速度为零的带电粒子经过加速电压为U1的电场加速，经过偏转电压为U2的偏转电场偏转，偏转角的正切值是多少？
3．为什么说粒子射出电场时的速度方向的反向延长线必过极板的中心？
【答案】如图所示，若设射出时速度v的反向延长线与初速度v0的延长线交于O′点，O′点到电场的右边缘距离为x.
精例2　一束电子流在经U＝5 000 V的加速电压加速后，在距两极板等距离处垂直进入平行板间的匀强电场，如图所示．若两水平板间距d＝1.0 cm，板长l＝5.0 cm，那么要使电子能从平行板间飞出，则两个水平极板上最大电压是多少？
【答案】400 V

【答案】C
　带电粒子在电场中运动的处理方法
带电粒子在电场中运动问题的实质是力学问题的延续，从受力角度看带电粒子与一般物体相比多受到一个电场力；从处理方法上看仍可利用力学中的规律分析，如选用平衡条件、牛顿定律，动能定理、功能关系，能量守恒等．
1．请简述示波管的工作原理．
【答案】XX′电极使电子束做横向(面向荧光屏而言)的水平匀速扫描，YY′电极使电子束随信号电压的变化在纵向做竖直方向的扫描，这样就在荧光屏上出现了随时间而变化的信号电压的波形，显然，这个波形是电子束同时参与两个相互垂直的分运动合成的结果．
示波管类问题
2．只在示波管的XX′加扫描电压Ux，荧光屏上光点在屏上做匀速直线运动吗？
精例3　示波管的原理如图所示，一束电子从静止开始经加速电压U1加速后，以水平速度沿水平放置的两平行金属板的中线射入金属板的中间．已知金属板长为l，两极板间的距离为d，竖直放置的荧光屏与金属板右端的距离为L.若两金属板间的电势差为U2，则光点偏离中线，而打在荧光屏中心O点正下方的P点，求O、P两点间的距离OP.
变式3　(多选)示波管的构造如图所示．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 B．极板X′应带正电
C．极板Y应带正电 D．极板Y′应带正电


【答案】AC
【解析】根据亮斑的位置，电子偏向XY区间，说明电子受到静电力作用发生了偏转，因此极板X、极板Y均应带正电．

1．示波管的偏转系统大都是静电偏转式，它由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为水平偏转板和竖直偏转板．分别控制电子束在水平方向和竖直方向的运动．当电子在偏转板之间运动时，如果偏转板上没有加电压，偏转板之间无电场，电子将沿轴向运动，射向屏幕的中心．如果偏转板上有电压，偏转板之间则有电场，进入偏转系统的电子会在偏转电场的作用下射向荧光屏的特定位置．
2．荧光屏位于示波管的终端，它的作用是将偏转后的电子束显示出来，以便观察．在示波器的荧光屏内壁涂有一层发光物质．因而，荧光屏上受到高速电子冲击的地点就显现出荧光．此时光点的亮度决定于电子束的数目、密度及其速度，改变控制极的加速电场的电压时，电子束中电子的数目将随之改变，光点亮度也就改变．
核心素养微专题
电偏转与科技
示波管是电子示波器的心脏．示波管的主要部件有：电子枪，偏转板，后加速级，荧光屏，刻度格子．电子枪产生了一个聚集很细的电子束，并把它加速到很高的速度．

这个电子束以足够的能量撞击荧光屏上的一个小点，并使该点发光．电子束一离开电子枪，就在两副静电偏转板间通过．偏转板上的电压使电子束偏转，一副偏转板的电压使电子束上下运动；另一副偏转板的电压使电子左右运动．而这些运动都是彼此无关的．因此，在水平输入端和垂直输入端加上适当的电压，就可以把电子束定位到荧光屏的任何地方．
【专题】　如图所示为某示波管内的聚焦电场，实线和虚线分别表示电场线和等势线．两电子分别从a、b两点运动到c点，设电场力对两电子做的功分别为Wa和Wb，a、b点的电场强度大小分别为Ea、Eb，则 (　　)
A．Wa＝Wb，Ea>Eb　　
B．Wa≠Wb，Ea>Eb
C．Wa＝Wb，Ea D．Wa≠Wb，Ea
【答案】A
【解析】电子在电场中运动，电场力做功W＝qU，由于a、b两点位于同一条等势线上，故φa＝φb有Uac＝Ubc, 可得Wa＝Wb.电场线的疏密程度反映场强的大小，a点比b点的电场线密些，a点场强大，则Ea>Eb，故A正确．
课堂小练 | 素养达成
1．如图所示，电子由静止开始从A板向B板运动，到达B板时的速度为v，保持两板间的电压不变，则 (　　)
A．当增大两板间的距离时，速度v增大
B．当减小两板间的距离时，速度v减小
C．当减小两板间的距离时，速度v不变
D．当减小两板间的距离时，电子在两板间运动的时间变长
【答案】C
2．在匀强电场中，将质子和α粒子由静止释放，若不计重力，当它们获得相同动能时，质子经历的时间t1和α粒子经历的时间t2之比为 (　　)
A．1∶1　　　 B．1∶2
C．2∶1　 D．4∶1
【答案】A


【答案】BD
4．一个带负电的小球质量为m，电荷量为q，在一个如图所示的平行板电容器的右侧边缘被竖直上抛，最后落在电容器左侧边缘的同一高度处，两板间距离为d，板间电压为U，重力加速度为g，求抛出时的初速度v0及小球能达到的最大高度H.