新教材2021-2022学年高中物理人教版必修第三册课件：第10章 5.带电粒子在电场中的运动48 张PPT

5.带电粒子在电场中的运动
课标定位
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。
素养阐释
1.通过对带电粒子在电场中加速、偏转问题的分析,强化分析、推理能力,进一步培养科学思维。
2.通过分析带电粒子在电场中的运动情况并解释相关的物理现象,培养热爱科学的精神,形成科学态度与责任。
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
随 堂 练 习
自主预习·新知导学
一、带电粒子在电场中的加速
分析带电粒子加速问题的两种思路:
1.利用牛顿第二定律结合匀变速直线运动公式分析;
2.利用静电力做功结合动能定理分析。
二、带电粒子在电场中的偏转
1.运动状态分析
带电粒子以速度v0垂直于电场线方向飞入匀强电场时,受到恒定的与初速度方向成90°角的静电力作用而做匀变速曲线运动。
2.偏转问题的处理方法
电荷量为q的带电粒子在电场中做类平抛运动,将带电粒子的运动沿初速度方向和电场线方向进行分解(类似于平抛运动的处理方法)。如图所示,设带电粒子沿中线进入板间,忽略电容器的边缘效应。

?
(1)沿初速度方向的分运动为匀速直线运动,满足l=v0t。
(2)沿电场线方向的分运动为初速度为零的匀加速直线运动。
三、示波管的原理
1.示波管的构造
由三部分构成:电子枪、偏转电极、荧光屏,如图所示。
2.示波管的原理
(1)如果在偏转电极XX'和YY'之间都没有加电压,则电子枪射出的电子束沿直线运动,打在荧光屏中心,在那里产生一个亮斑。
(2)示波管的YY'偏转电极上加的是待测的信号电压。XX'偏转电极通常接入仪器自身产生的锯齿形电压,叫作扫描电压。若所加扫描电压和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像。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)带电粒子仅在静电力作用下运动时,动能一定增加。
(　　)
(2)带电粒子在匀强电场中偏转时,其速度和加速度均不变。
(　　)
(3)带电粒子在匀强电场中无论是直线加速还是偏转,均做匀变速运动。(　　)
(4)示波管的荧光屏上显示的是电子的运动轨迹。(　　)
×
×
√
√
2.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?
提示:适用,由于W=qU既适用于匀强电场又适用于非匀强电场,故 适用于任何电场。
3.如图所示,带电粒子(不计重力)从两板中间垂直电场线方向进入电场,在电场中的运动时间与什么因素有关?
提示:若能离开电场,则与板的长度和初速度有关;若打在极板上,则与电场强度和板间距离有关。
合作探究·释疑解惑
知识点一
知识点二
带电粒子在电场中的加速
问题引领
如图所示,在真空中有一对平行金属板,由于接在电池组上而带电,两板间的电势差为U。若一个质量为m、带正电荷q的α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,板间距为d。
(1)带电粒子在电场中受哪些力作用?
重力能否忽略不计?
(2)粒子在电场中做何种运动?
(3)计算粒子到达负极板时的速度。
提示:(1)受重力和静电力;因重力远小于静电力,故可以忽略重力。
归纳提升
1.带电粒子的分类及受力特点
(1)电子、质子、α粒子、离子等基本粒子,一般都不考虑重力。
(2)质量较大的微粒:带电小球、带电油滴、带电颗粒等,除有说明或有明确的暗示外,处理问题时一般都不能忽略重力。
2.求带电粒子的速度的两种方法
(1)从动力学角度出发,用牛顿第二定律和运动学知识求解。
由牛顿第二定律可知,带电粒子运动的加速度的大小为
(2)从功能关系角度出发,用动能定理求解。
带电粒子运动过程中,只受静电力作用,静电力做的功为W=qU
典型例题
【例题1】 如图所示,在P板附近有一电子由静止开始向Q板运动。已知两极板间电势差为U,板间距为d。电子质量为m,电荷量为e。则关于电子在两板间的运动情况,下列叙述正确的是(　　)
A.若将板间距d增大一倍,则电子到达Q板的速率保持不变
B.若将板间距d增大一倍,则电子到达Q板的速率也增大一倍
C.若将两极板间电势差U增大一倍,则电子到达Q板的时间保持不变
D.若将两极板间电势差U增大一倍,则电子到达Q板的时间减为一半
答案:A
1.对于匀强电场,虽然用动力学观点和功能观点均可求解,但运用功能观点列式更简单,故应优先选用功能观点。
2.若电场为非匀强电场,带电粒子做变加速直线运动,一般不能通过牛顿运动定律途径直接求解。注意W=qU对一切电场适用,因此从能量的观点入手,由动能定理来求解。
【变式训练1】 两平行金属板相距为d,电势差为U,一电子质量为m,电荷量为e,从O点沿垂直于极板的方向射入电场,最远到达A点,然后返回,如图所示,OA间距为h,此电子的初动能是(　　)
答案:D
带电粒子在电场中的偏转
问题引领
如图所示,两平行金属板间存在竖直向下的匀强电场,一质量为m、电荷量为q的粒子以速度v0垂直于电场方向射入两极之间。已知,两板间距为d,板长度为l,两板间电压为U。不计粒子的重力。
(1)粒子在两板间做什么性质的运动?
在板间运动的加速度和运动时间是多少?
(2)粒子离开电场时沿电场方向的速度和偏移量y各是多少?
归纳提升
1.对带电粒子的偏转角和偏移量的讨论
如图所示,设带电粒子质量为m、电荷量为q,以速度v0垂直于电场线射入匀强偏转电场,偏转电压为U1。若粒子飞出电场时偏转角为θ,则
2.两个重要结论
(1)若不同的带电粒子是从静止经过同一加速电压U0加速后进入偏转电场的,则由动能定理有
由④⑤式可知,粒子的偏角、偏移量与粒子的q、m无关,仅决定于加速电场和偏转电场,即不同的带电粒子从静止经过同一电场加速后再进入同一偏转电场,它们在电场中的偏转角度总是相同的,从同一位置沿同一方向射出电场。
(2)作粒子速度的反向延长线,设与初速度方向交于O点,O点到电场边缘的距离为x,则
由⑥式可知,粒子从偏转电场中射出时,就好像是从极板间的 处(即O点)沿直线射出似的。
典型例题
【例题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。若两极板间距离d=1.0 cm,板长l=5.0 cm,那么,要使电子能从平行板间飞出,两个极板上最大能加多大电压?
答案:400 V
解析:在加速电压一定时,偏转电压U'越大,电子在极板间的偏转距离就越大。当偏转电压大到使电子刚好擦着极板的边缘飞出时,两极板间的偏转电压即为题目要求的最大电压。
1.处理带电粒子在电场中先加速后偏转的问题,常用的方法是动能定理、运动的合成与分解、牛顿运动定律、运动学公式等,通常将运动分解成平行于电场强度方向的匀变速直线运动和垂直于电场强度方向的匀速运动。
2.带电粒子能否飞出偏转电场,关键看带电粒子在电场中的偏移量,粒子恰能飞出极板和粒子恰不能飞出极板,对应着同一临界状态,分析时根据题意找出临界状态,由临界状态来确定极值,这是求解极值问题的常用方法。
【变式训练2】 如图所示,两极板与电源相连接,电子从负极板边缘垂直于电场方向射入匀强电场,且恰好从正极板边缘飞出,现在使电子入射速度变为原来的两倍,而电子仍从原位置射入,且仍从正极板边缘飞出,则两极板的间距应变为原来的(　　)
答案:C
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(带电粒子在电场中的加速)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时的速率与哪些因素有关的下列解释正确的是(　　)
A.两极板间的距离越大,加速的时间就越长,
则获得的速率越大
B.两极板间的距离越小,加速的时间就越短,
则获得的速率越小
C.两极板间的距离越小,加速度就越大,则获得的速率越大
D.与两极板间的距离无关,仅与加速电压U有关
答案:D
解析:由动能定理得 ,当两极板间的距离变化时,U不变,v就不变,电子到达Q时的速率与两极板间的距离无关,与加速电压U有关,故D正确。
2.(带电粒子在电场中的偏转)如图所示,a、b两个带正电的粒子,以相同的速度先后垂直于电场线从同一点进入平行板间的匀强电场后,a粒子打在B板的a'点,b粒子打在B板的b'点,若不计重力,则(　　)
A.a的电荷量一定大于b的电荷量
B.b的质量一定大于a的质量
C.a的比荷一定大于b的比荷
D.b的比荷一定大于a的比荷
答案:C
3.(带电粒子在电场中的加速)(多选)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(不计带电粒子的重力)(　　)
A.使初速度减为原来的
B.使M、N间电压加倍
C.使M、N间电压提高到原来的4倍
D.使初速度和M、N间电压都减为原来的
答案:BD
4.(带电粒子在电场中的偏转)如图所示,A、B为两块足够大的相距为d的平行金属板,接在电压为U的电源上。在A板的中央P点放置一个电子发射源,可以向各个方向释放电子。设电子的质量为m、电荷量为e,射出的初速度为v。求电子打在B板上的区域面积。(不计电子的重力)
解析:打在最边缘的电子,其初速度方向平行于金属板,在电场中做类平抛运动,如图所示,