第2章　第4节　带电粒子在电场中的运动—2020-2021学年新教材鲁科版（2019）高中物理必修三课件（38张PPT）

第4节　带电粒子在电场中的运动
必备知识
自我检测
一、带电粒子加速
1.受力分析
仍按力学中受力分析的方法分析,只是多了一个静电力而已,若带电粒子在匀强电场中,则静电力为恒力(qE);若在非匀强电场中,则静电力为变力。
2.运动分析:在匀强电场中,带电粒子从静止释放,将沿电场力方向做匀加速直线运动。
必备知识
自我检测
二、带电粒子偏转
1.运动状态分析
如图所示,电子以初速度v0垂直于电场线方向射入匀强电场时,电子只受到恒定的与初速度方向成90°角的电场力作用而做匀变速曲线运动,类似于力学中的平抛运动。
必备知识
自我检测
2.运动规律(如图所示)
必备知识
自我检测
正误判断。
(1)带电粒子在电场中一定做加速直线运动。(　　)
解析:带电粒子在电场中只受静电力作用且初速度为零或者是初速度方向和静电力方向相同时,带电粒子才做加速直线运动。
答案:×
(2)只有当带电粒子的速度方向和静电力方向垂直时,带电粒子才做曲线运动。(　　)
解析:当带电粒子只受静电力作用,且带电粒子的速度方向和静电力方向不在同一直线上时,带电粒子才做曲线运动。
答案:×
必备知识
自我检测
(3)带电粒子的偏转问题可用运动的合成和分解的方法解决。(　　)
解析:运动的合成和分解是解决曲线运动的常用方法,带电粒子在电场中的偏转是曲线运动。
答案:√
(4)动能定理能分析匀强电场中的直线运动问题,不能分析非匀强电场中的直线运动问题。(　　)
解析:动能定理既能分析带电粒子在匀强电场中的运动,也能分析带电粒子在非匀强电场中的运动。
答案:×
必备知识
自我检测
(5)带电粒子在电场中只受电场力作用时,其动能和电势能总和保持不变。(　　)
解析:带电粒子只受电场力作用时,只发生动能和电势能的相互转化,两种能的总和保持不变。
答案:√
探究一
探究二
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带电粒子的加速
情境探究
在真空中有一对平行金属板,由于接上电池组而带电,两板间电势差为U,若一个质量为m、带正电荷q的粒子,以初速度v0从正极板附近向负极板运动。
试结合上述情境讨论:
(1)怎样计算它到达负极板时的速度?
(2)若粒子带的是负电荷(初速度为v0),将做匀减速直线运动,如果能到达负极板,其速度如何?
(3)上述问题中,两块金属板是平行的,两板间的电场是匀强电场,如果两金属板是其他形状,中间的电场不再均匀,上面的结果是否仍然适用?为什么?
探究一
探究二
随堂检测
(3)结果仍然适用。因为不管是否为匀强电场,静电力做功都可以用W=qU计算,动能定理仍然适用。
探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
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.处理带电粒子在电场中加速问题的两种方法
可以从动力学和功能关系两个角度分析。
角度
动力学角度
功能关系角度
应用知识
牛顿第二定律以及匀变速直线运动公式
功的公式及动能定理
适用条件
匀强电场,静电力是恒力
匀强电场、非匀强电场;静电力是恒力、变力
探究一
探究二
随堂检测
画龙点睛 恒力作用时应用牛顿运动定律解题会使物理过程更加清晰,非匀强电场中所受静电力不再恒定,可用动能定理解题,解题过程简洁明了。
探究一
探究二
随堂检测
例1(多选)示波管中电子枪的原理示意图如图所示,示波管内被抽成真空。A为发射电子的阴极,K为接在高电势点的加速阳极,A、K间电压数值为U,电子离开阴极时的速度可以忽略,电子经加速后从K的小孔中射出时的速度大小为v。下面的说法正确的是(　　)
A.如果A、K间距离减半而电压仍为U,则电子离开K时的速度仍为v
探究一
探究二
随堂检测
答案:AC
探究一
探究二
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规律方法 分析带电粒子在电场中加速运动的两种思路
(1)牛顿第二定律和运动学公式
探究一
探究二
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变式训练1加速器是人类揭示物质本源的关键设备,在放射治疗、食品安全、材料科学等方面有广泛应用。如图所示,某直线加速器由沿轴线分布的一系列金属圆管(漂移管)组成,相邻漂移管分别接在高频脉冲电源的两极,质子从K点沿轴线进入加速器并依次向右穿过各漂移管,在漂移管内做匀速直线运动,在漂移管间被电场加速,加速电压视为不变。设质子进入漂移管B时速度为8×106 m/s,进入漂移管E时速度为1×107 m/s,电源频率为1×107 Hz,漂移管间缝隙很小,质子在每个管内运动时间视为电源周期的 。质子的比荷取1×108 C/kg,求:
探究一
探究二
随堂检测
(1)漂移管B的长度;
(2)相邻漂移管间的加速电压。
联立①②式并代入数据得L=0.4 m③。
(2)设质子进入漂移管E的速度为vE,相邻漂移管间的加速电压为U,电场对质子所做的功为W。质子从漂移管B运动到E电场力做功W',质子的电荷量为q、质量为m,则
W=qU④
W'=3W⑤
探究一
探究二
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答案:(1)0.4 m　(2)6×104 V
探究一
探究二
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带电粒子的偏转
情境探究
如图所示,质量为m、电荷量为q的粒子以初速度v0垂直于电场方向射入两极板间,两平行板间存在方向竖直向下的匀强电场,已知板长为l,板间电压为U,板间距为d,不计粒子的重力。
怎样求粒子射出电场时在静电力方向上的偏转距离?
探究一
探究二
随堂检测
知识归纳
带电粒子在匀强电场中偏转的知识要点
1.带电粒子在匀强电场中偏转的基本规律。
探究一
探究二
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2.偏转位移和偏转角。
4.运动轨迹:抛物线。
探究一
探究二
随堂检测
画龙点睛 带电粒子在电场中的偏转为类平抛运动,与平抛运动遵循相似的运动规律,即一个方向为匀速直线运动,另一个方向为初速度为零的匀加速直线运动,但加速度一般不等于g。
探究一
探究二
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5.带电粒子在电场中加速与偏转
探究一
探究二
随堂检测
6.示波管
示波管由电子枪,偏转电极和荧光屏组成,管内抽成真空。电子枪的作用是产生高速飞行的电子。
电极XX'使电子束沿水平方向偏转,电极YY'使电子束沿竖直方向偏转,这样就在荧光屏上出现了随时间而展开的信号电压的波形。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。
探究一
探究二
随堂检测
实例引导
例2长为L的平行金属板竖直放置,两极板带等量的异种电荷,板间形成匀强电场,一个带电荷量为+q、质量为m的带电粒子,以初速度v0紧贴左极板垂直于电场线方向进入该电场,刚好从右极板边缘射出,射出时速度与竖直方向成30°角,如图所示,不计粒子重力,求:
(1)粒子末速度的大小;
(2)匀强电场的电场强度大小;
(3)两板间的距离。
探究一
探究二
随堂检测
探究一
探究二
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变式训练2如图所示,电子在电势差为U1的加速电场中由静止开始运动,然后射入电势差为U2的两块平行极板间的电场中,射入方向与极板平行,整个装置处在真空中,电子重力可忽略,在满足电子能射出平行极板的条件下,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
探究一
探究二
随堂检测
探究一
探究二
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变式训练3如图所示的示波管,当两偏转电极XX'、YY'电压为零时,电子枪发射的电子经加速电场加速后会打在荧光屏上的正中间(图示坐标系的O点,其中x轴与XX'电场的电场强度方向重合,x轴正方向垂直于纸面向里,y轴与YY'电场的电场强度方向重合,y轴正方向竖直向上)。若要电子打在图示坐标系的第Ⅲ象限,则(　　)
探究一
探究二
随堂检测
A.X、Y极接电源的正极,X'、Y'接电源的负极
B.X、Y'极接电源的正极,X'、Y接电源的负极
C.X'、Y极接电源的正极,X、Y'接电源的负极
D.X'、Y'极接电源的正极,X、Y接电源的负极
解析:若要使电子打在题图所示坐标系的第Ⅲ象限,电子在x轴上向负方向偏转,则应使X'接正极,X接负极;电子在y轴上也向负方向偏转,则应使Y'接正极,Y接负极,所以选项D正确,A、B、C错误。
答案:D
探究一
探究二
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1.如图所示,在两带等量异种电荷的平行金属板间,从负极板处静止释放一个电子(不计重力),设其到达正极板时的速度为v1,加速度为a1。若将两极板间的距离增大为原来的2倍,同时两板间电势差也变为原来的2倍,再从负极板处静止释放一个电子,设其到达正极板时的速度为v2,加速度为a2,则(　　)
A.a1∶a2=1∶1,v1∶v2=1∶2
B.a1∶a2=2∶1,v1∶v2=1∶2
探究一
探究二
随堂检测
答案:D
探究一
探究二
随堂检测
2.如图所示,三个带电荷量相同、质量相等、重力不计的粒子A、B、C,从同一平行板间电场中的同一点P射入,在电场中的运动轨迹如图所示,则下列说法中正确的是(　　)
A.三个粒子的加速度关系为aA>aB>aC
B.三个粒子的加速度关系为aA C.三个粒子的入射速度关系为vA>vB>vC
D.三个粒子的入射速度关系为vA探究一
探究二
随堂检测
解析:三个带电粒子的电荷量相同,所受电场力相同,质量相等,故加速度相同,选项A、B错误;三个带电粒子沿电场方向的位移yA=yB>yC,则运动时间tA=tB>tC,三个带电粒子沿平行极板方向的位移xA 答案:D
探究一
探究二
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3.如图所示,C、D两水平带电金属板间的电压为U,A、B为一对竖直放置的带电平行金属板,B板上有一个小孔,小孔在C、D两板间的中心线上,一质量为m、带电荷量为+q的粒子(不计重力)在A板边缘的P点由静止开始运动,恰好从D板下边缘离开,离开时速度大小为v0,则A、B两极板间的电压为(　　)
探究一
探究二
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答案:A
探究一
探究二
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4.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。求质子由板上小孔射出时的速度大小。
探究一
探究二
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答案:6×106 m/s