《帶電粒子在電場中的運動》課件

第一章靜電場第九節(jié)帶電粒子在電場中的運動第一章靜電場第九節(jié)帶電粒子在電場中的運動1大型粒子對撞機大型粒子對撞機21.帶電粒子在電場中要受到哪些力的作用？2.對于像電子、質(zhì)子、α粒子、離子等帶電微粒在電場中運動時，我們怎樣處理它們的受力？通常要受到重力和電場力

電子、質(zhì)子、α粒子、離子等帶電微粒所受重力一般遠小于電場力，重力可以忽略。重力勢能就可以不考慮。但帶電物體：如帶電小球、液滴、塵埃等。除非有說明或明確的暗示以外，一般都考慮重力。1.帶電粒子在電場中要受到哪些力的作用？2.對于像電33.帶電粒子在電場中運動時，電場力對粒子的運動有什么效果？

帶電粒子在電場中運動時，所受電場力對粒子產(chǎn)生加速度，改變粒子的速度。電場力（合外力）對粒子做功，改變粒子的動能。4.帶電粒子在均強電場中運動時，運動有什么特點？

帶電粒子在均強電場中運動時，所受電場力是恒力,產(chǎn)生恒定的加速度，所以帶電粒子在均強電場中的運動跟物體在重力場中的自由落體和拋體運動相似。3.帶電粒子在電場中運動時，電場力對粒子的運動有什么效果4

研究帶電粒子運動的主要理論方法電場力F=qE加速度a=F/m電場力的功W=qU

研究帶電粒子運動的主要理論方法電場力5二、帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)一、帶電粒子在電場中的加速帶電粒子在電場中的兩類基本運動二、帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)一、帶電粒子在電場中的加速帶電粒子6++++++++________UE加速勻速+q、m、v=?一、帶電粒子的加速++++++++________UE加速勻速+q、m、v7qUm+_帶電粒子的加速過程

d1.受力分析:F2.運動分析:初速度為零，加速度為a=qU/md的向右勻加速直線運動。解法一運用運動學(xué)知識求解水平向右的電場力F＝Eq=

qU/dqUm+_帶電粒子的加速過程d1.受力分析:F2.運動分析8qUm+_帶電粒子的加速過程

d1.受力分析:F2.能量轉(zhuǎn)化:電勢能轉(zhuǎn)化為動能粒子加速后的速度只與加速電壓有關(guān)水平向右的電場力F＝Eq=

qU/d解法二

運用能量知識求解qUm+_帶電粒子的加速過程d1.受力分析:F2.能量轉(zhuǎn)化9如兩極板間不是勻強電場該用何種方法求解？為什么？

由于電場力做功與場強是否勻強無關(guān)，與運動路徑也無關(guān)，第二種方法仍適用。若粒子的初速度為零,則:若粒子的初速度不為零,則:如兩極板間不是勻強電場該用何種方法求解？為什么？由10例1.熾熱的金屬絲可以發(fā)射電子。兩邊加以電壓U=2500V，電子初速度為0，求電子穿出時的速度。例1.熾熱的金屬絲可以發(fā)射電子。兩邊加以電壓U=211粒子做勻減速直線運動1.若帶正電粒子以v0從負(fù)板向正板運動，粒子運動情況如何？2.若粒子以初速度v0沿垂直場強方向進入電場，離子的運動情況如何？粒子做類平拋運動粒子做勻減速直線運動1.若帶正電粒子以v0從負(fù)板向正12

++++++------

lv0d-qθvv0v⊥θyx二、帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)類平拋運動偏轉(zhuǎn)角側(cè)移++++++------lv0d-qθvv0v⊥θ131.粒子穿越電場的時間t為多少？2.粒子離開電場時的速度v多大？3.粒子離開電場時的偏角θ

多大？4.沿垂直于板面方向偏移的距離為多少？5.

x呢？1.粒子穿越電場的時間t為多少？2.粒子離開電場時的14與粒子比荷q/m成正比與粒子初速度v0平方成反比與電場的屬性U、l、d有關(guān)與粒子比荷q/m成正比與粒子初速度v0平方成反比與電場15與粒子比荷q/m成正比與粒子初速度v0

平方成反比與電場的屬性U、l、d有關(guān)與粒子比荷q/m成正比與粒子初速度v0平方成反比與電16推論:粒子從偏轉(zhuǎn)電場中射出時,其速度反向延長線與初速度方向交一點,此點平分沿初速度方向的位移。推論:粒子從偏轉(zhuǎn)電場中射出時,其速度反向延長線與初速度方向交17

L三、加速和偏轉(zhuǎn)一體++++++------φvv0vy+_U1U2v0-qmyL三、加速和偏轉(zhuǎn)一體++++++------φvv0v18讓一價氫離子、一價氦離子和二價氦離子的混合物經(jīng)過同一加速電場由靜止開始加速，然后在同一偏轉(zhuǎn)電場里偏轉(zhuǎn)，在通過加速電場時獲得的動能是否相同？通過偏轉(zhuǎn)電場時，它們是否會分為三股？請說明理由。答案：通過加速電場時獲得的動能Ek=qU,加速電壓相同，二價氦離子電荷量最大，所以二價氦離子獲得動能最大。粒子的偏轉(zhuǎn)量和偏轉(zhuǎn)角由加速電場和偏轉(zhuǎn)電場決定，所以三種粒子不可能分開為三股。vvyy

L++++++------φv0+-U1U2v0-qm讓一價氫離子、一價氦離子和二價氦離子的混合物經(jīng)191.如圖，電子在電勢差為U1的加速電場中，由靜止開始加速，然后射入電勢差為U2的兩塊平行極板間的電場中，入射方向跟極板平行。整個裝置處在真空中，重力可忽略。在滿足電子能射出平行板區(qū)的條件下，下述四種情況中，一定能使電子的偏轉(zhuǎn)角θ變大的是（）A.U1變大、U2變大B.U1變小、U2變大C.U1變大、U2變小D.U1變小、U2變小1.如圖，電子在電勢差為U1的加速電場中，由靜止開始20解析：對加速過程由動能定理：對偏轉(zhuǎn)過程由偏轉(zhuǎn)角正切公式：解析：對加速過程由動能定理：對偏轉(zhuǎn)過程由偏轉(zhuǎn)角正切公式：21示波器

示波器圖象示波器示波器圖象22電子槍偏轉(zhuǎn)電極-+熒光屏YYˊX三、示波管的原理XˊXˊXYYˊ產(chǎn)生高速飛行的電子束鋸齒形掃描電壓使電子沿Y方向偏移待顯示的電壓信號使電子沿X方向偏移電子槍偏轉(zhuǎn)電極-+熒光屏YYˊX三、示波管的原理XˊXˊXY23

如果在電極XXˊ

之間不加電壓，而在YYˊ之間加不變電壓，使Y的電勢比Yˊ高，電子將打在熒光屏的什么位置？-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏如果在電極XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間加24

如果在電極XXˊ

之間不加電壓，而在YYˊ之間加不變電壓，使Yˊ的電勢比Y高，電子將打在熒光屏的什么位置？-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏如果在電極XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間加25

如果在XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間加按圖示的規(guī)律變化的電壓，在熒光屏?xí)吹降氖裁礃拥膱D形？XˊXYYˊUYtO如果在XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間加按圖26

如果在XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間加按圖示的規(guī)律變化的電壓，在熒光屏?xí)吹降氖裁礃拥膱D形？UYtO

Yˊ隨信號電壓同步變化，但由于視覺暫留和熒光物質(zhì)的殘光特性，只能看到一條豎直的亮線。示波器圖象如果在XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間加按圖27-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏

如果在電極YYˊ

之間不加電壓，而在XXˊ之間加不變電壓，使X的電勢比Xˊ高，電子將打在熒光屏的什么位置？-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏如果在28-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏

如果在電極YYˊ

之間不加電壓，而在XXˊ之間加不變電壓，使Xˊ的電勢比X高，電子將打在熒光屏的什么位置？-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏如果在29UXt掃描電壓

可知，若XXˊ所加的電壓為特定的周期性變化電壓，則亮斑在水平方向來回運動一一掃描，如果掃描電壓變化很快，亮斑看起來為一條水平的亮線。示波器圖象OXˊXYYˊUXt掃描電壓可知，若XXˊ所加的電壓為特定的周期30如果在YYˊ

之間加如圖所示的交變電壓，同時在XXˊ

之間加鋸齒形掃描電壓，在熒光屏上會看到什么圖形？ABCDFABCt1DEFt2XˊXYYˊtOUYUXOtABCDEEFt2t1t2t1如果在YYˊ之間加如圖所示的交變電壓，同時在XX31如果信號電壓是周期性的，并且掃描電壓與信號電壓的周期相同，就可以在熒光屏上得到待測信號在一個周期內(nèi)隨時間變化的穩(wěn)定圖象。示波器圖象tOUYUXOtXˊXYYˊ如果信號電壓是周期性的，并且掃描電壓與信號電壓的周期32一、利用電場使帶電粒子加速二、利用電場使帶電粒子偏轉(zhuǎn)從動力學(xué)和運動學(xué)角度分析從做功和能量的角度分析類似平拋運動的分析方法粒子在與電場垂直的方向上做勻速直線運動粒子在與電場平行的方向上做初速度為零的勻加速運動

一、利用電場使帶電粒子加速二、利用電場使帶電粒子偏轉(zhuǎn)從動力學(xué)331.偏轉(zhuǎn)電極不加電壓時：從電子槍射出的電子將沿直線運動，射到熒光屏的心點形成一個亮斑。2.

在XX′(或YY′)加電壓時：若所加電壓穩(wěn)定，則電子被加速，偏轉(zhuǎn)后射到

XX′(或YY′)所在直線上某一點，形成一個亮斑(不在中心)。3.

示波管實際工作時，豎直偏轉(zhuǎn)板和水平偏轉(zhuǎn)板都加上電壓。一般地，加在豎直偏轉(zhuǎn)板上的電壓是要研究的信號電壓，加在水平偏轉(zhuǎn)板上的電壓是掃描電壓，若兩者周期相同，在熒光屏上就會顯示出信號電壓在一個周期內(nèi)隨時間變化的波形圖。示波管的主要工作原理1.偏轉(zhuǎn)電極不加電壓時：從電子槍射出的電子將沿直線運動34第一章靜電場第九節(jié)帶電粒子在電場中的運動第一章靜電場第九節(jié)帶電粒子在電場中的運動35大型粒子對撞機大型粒子對撞機361.帶電粒子在電場中要受到哪些力的作用？2.對于像電子、質(zhì)子、α粒子、離子等帶電微粒在電場中運動時，我們怎樣處理它們的受力？通常要受到重力和電場力

電子、質(zhì)子、α粒子、離子等帶電微粒所受重力一般遠小于電場力，重力可以忽略。重力勢能就可以不考慮。但帶電物體：如帶電小球、液滴、塵埃等。除非有說明或明確的暗示以外，一般都考慮重力。1.帶電粒子在電場中要受到哪些力的作用？2.對于像電373.帶電粒子在電場中運動時，電場力對粒子的運動有什么效果？

帶電粒子在電場中運動時，所受電場力對粒子產(chǎn)生加速度，改變粒子的速度。電場力（合外力）對粒子做功，改變粒子的動能。4.帶電粒子在均強電場中運動時，運動有什么特點？

帶電粒子在均強電場中運動時，所受電場力是恒力,產(chǎn)生恒定的加速度，所以帶電粒子在均強電場中的運動跟物體在重力場中的自由落體和拋體運動相似。3.帶電粒子在電場中運動時，電場力對粒子的運動有什么效果38

研究帶電粒子運動的主要理論方法電場力F=qE加速度a=F/m電場力的功W=qU

研究帶電粒子運動的主要理論方法電場力39二、帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)一、帶電粒子在電場中的加速帶電粒子在電場中的兩類基本運動二、帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)一、帶電粒子在電場中的加速帶電粒子40++++++++________UE加速勻速+q、m、v=?一、帶電粒子的加速++++++++________UE加速勻速+q、m、v41qUm+_帶電粒子的加速過程

d1.受力分析:F2.運動分析:初速度為零，加速度為a=qU/md的向右勻加速直線運動。解法一運用運動學(xué)知識求解水平向右的電場力F＝Eq=

qU/dqUm+_帶電粒子的加速過程d1.受力分析:F2.運動分析42qUm+_帶電粒子的加速過程

d1.受力分析:F2.能量轉(zhuǎn)化:電勢能轉(zhuǎn)化為動能粒子加速后的速度只與加速電壓有關(guān)水平向右的電場力F＝Eq=

qU/d解法二

運用能量知識求解qUm+_帶電粒子的加速過程d1.受力分析:F2.能量轉(zhuǎn)化43如兩極板間不是勻強電場該用何種方法求解？為什么？

由于電場力做功與場強是否勻強無關(guān)，與運動路徑也無關(guān)，第二種方法仍適用。若粒子的初速度為零,則:若粒子的初速度不為零,則:如兩極板間不是勻強電場該用何種方法求解？為什么？由44例1.熾熱的金屬絲可以發(fā)射電子。兩邊加以電壓U=2500V，電子初速度為0，求電子穿出時的速度。例1.熾熱的金屬絲可以發(fā)射電子。兩邊加以電壓U=245粒子做勻減速直線運動1.若帶正電粒子以v0從負(fù)板向正板運動，粒子運動情況如何？2.若粒子以初速度v0沿垂直場強方向進入電場，離子的運動情況如何？粒子做類平拋運動粒子做勻減速直線運動1.若帶正電粒子以v0從負(fù)板向正46

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lv0d-qθvv0v⊥θyx二、帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)類平拋運動偏轉(zhuǎn)角側(cè)移++++++------lv0d-qθvv0v⊥θ471.粒子穿越電場的時間t為多少？2.粒子離開電場時的速度v多大？3.粒子離開電場時的偏角θ

多大？4.沿垂直于板面方向偏移的距離為多少？5.

x呢？1.粒子穿越電場的時間t為多少？2.粒子離開電場時的48與粒子比荷q/m成正比與粒子初速度v0平方成反比與電場的屬性U、l、d有關(guān)與粒子比荷q/m成正比與粒子初速度v0平方成反比與電場49與粒子比荷q/m成正比與粒子初速度v0

平方成反比與電場的屬性U、l、d有關(guān)與粒子比荷q/m成正比與粒子初速度v0平方成反比與電50推論:粒子從偏轉(zhuǎn)電場中射出時,其速度反向延長線與初速度方向交一點,此點平分沿初速度方向的位移。推論:粒子從偏轉(zhuǎn)電場中射出時,其速度反向延長線與初速度方向交51

L三、加速和偏轉(zhuǎn)一體++++++------φvv0vy+_U1U2v0-qmyL三、加速和偏轉(zhuǎn)一體++++++------φvv0v52讓一價氫離子、一價氦離子和二價氦離子的混合物經(jīng)過同一加速電場由靜止開始加速，然后在同一偏轉(zhuǎn)電場里偏轉(zhuǎn)，在通過加速電場時獲得的動能是否相同？通過偏轉(zhuǎn)電場時，它們是否會分為三股？請說明理由。答案：通過加速電場時獲得的動能Ek=qU,加速電壓相同，二價氦離子電荷量最大，所以二價氦離子獲得動能最大。粒子的偏轉(zhuǎn)量和偏轉(zhuǎn)角由加速電場和偏轉(zhuǎn)電場決定，所以三種粒子不可能分開為三股。vvyy

L++++++------φv0+-U1U2v0-qm讓一價氫離子、一價氦離子和二價氦離子的混合物經(jīng)531.如圖，電子在電勢差為U1的加速電場中，由靜止開始加速，然后射入電勢差為U2的兩塊平行極板間的電場中，入射方向跟極板平行。整個裝置處在真空中，重力可忽略。在滿足電子能射出平行板區(qū)的條件下，下述四種情況中，一定能使電子的偏轉(zhuǎn)角θ變大的是（）A.U1變大、U2變大B.U1變小、U2變大C.U1變大、U2變小D.U1變小、U2變小1.如圖，電子在電勢差為U1的加速電場中，由靜止開始54解析：對加速過程由動能定理：對偏轉(zhuǎn)過程由偏轉(zhuǎn)角正切公式：解析：對加速過程由動能定理：對偏轉(zhuǎn)過程由偏轉(zhuǎn)角正切公式：55示波器

示波器圖象示波器示波器圖象56電子槍偏轉(zhuǎn)電極-+熒光屏YYˊX三、示波管的原理XˊXˊXYYˊ產(chǎn)生高速飛行的電子束鋸齒形掃描電壓使電子沿Y方向偏移待顯示的電壓信號使電子沿X方向偏移電子槍偏轉(zhuǎn)電極-+熒光屏YYˊX三、示波管的原理XˊXˊXY57

如果在電極XXˊ

之間不加電壓，而在YYˊ之間加不變電壓，使Y的電勢比Yˊ高，電子將打在熒光屏的什么位置？-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏如果在電極XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間加58

如果在電極XXˊ

之間不加電壓，而在YYˊ之間加不變電壓，使Yˊ的電勢比Y高，電子將打在熒光屏的什么位置？-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏如果在電極XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間加59

如果在XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間加按圖示的規(guī)律變化的電壓，在熒光屏?xí)吹降氖裁礃拥膱D形？XˊXYYˊUYtO如果在XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間加按圖60

如果在XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間加按圖示的規(guī)律變化的電壓，在熒光屏?xí)吹降氖裁礃拥膱D形？UYtO

Yˊ隨信號電壓同步變化，但由于視覺暫留和熒光物質(zhì)的殘光特性，只能看到一條豎直的亮線。示波器圖象如果在XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間加按圖61-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏

如果在電極YYˊ

之間不加電壓，而在XXˊ之間加不變電壓，使X的電勢比Xˊ高，電子將打在熒光屏的什么位置？-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏如果在62-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏

如果在電極YYˊ

之間不加電壓，而在XXˊ之間加不變電壓，使Xˊ的電勢比X高