2022-2023年粵教版(2019)新教材高中物理必修3 第2章靜電場的應(yīng)用第2節(jié)帶電粒子在電場中的運(yùn)動課件

第二節(jié)帶電粒子在電場中的運(yùn)動第二章【必備知識】一、帶電粒子在電場中的加速1.基本粒子的受力特點(diǎn):對于質(zhì)量很小的基本粒子,如電子、質(zhì)子等,雖然它們也會受到萬有引力(重力)的作用,但萬有引力(重力)一般遠(yuǎn)小于電場力,可以忽略.2.帶電粒子加速問題的處理方法:利用動能定理分析.初速度為零的帶電粒子,經(jīng)過電勢差為U的電場加速后,二、加速器1.早期制成的加速器是利用高電壓的電場來加速帶電粒子的.2.由于實(shí)際電壓有限,為了進(jìn)一步提高帶電粒子的能量,科學(xué)家制成了直線加速器,讓帶電粒子通過多級電場來加速.三、帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)1.運(yùn)動特點(diǎn)(1)垂直電場方向:不受力,做勻速直線運(yùn)動.(2)沿著電場方向:受恒定的電場力,做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動.2.運(yùn)動規(guī)律四、示波器1.構(gòu)造示波器的核心部件是示波管,它主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成,如圖所示.2.原理(1)基本原理:帶電粒子在電場力作用下加速和偏轉(zhuǎn).(2)示波器的燈絲通電后給陰極加熱,使陰極發(fā)射電子.電子經(jīng)陽極和陰極間的電場加速聚焦后形成一很細(xì)的電子束,電子射出打在管底的熒光屏上,形成一個小亮斑.亮斑在熒光屏上的位置可以通過調(diào)節(jié)Y偏轉(zhuǎn)板與X偏轉(zhuǎn)板上的電壓大小來控制.想一想如圖所示,帶電粒子(不計(jì)重力)從兩極板中間垂直電場線方向進(jìn)入電場,在電場中的運(yùn)動時間與什么因素有關(guān)?【自我檢測】1.判斷正誤,判斷結(jié)果為錯誤的小題請說明原因.(1)基本粒子所受重力比電場力小得多,可以忽略不計(jì).(

)答案

√(2)帶電粒子在電場中運(yùn)動時,電場力對粒子一定做正功.(

)解析

電場力可能做正功,也可能做負(fù)功,也可能不做功.答案

×(3)電場力對帶電粒子做正功時,粒子的動能一定增大.(

)解析

帶電粒子不一定只受電場力的作用,只有合力做正功時,動能才增加.答案

×(4)帶電粒子垂直進(jìn)入電場后(僅受到電場力)偏轉(zhuǎn)過程中的動能是不斷增加的.(

)答案

√2.下列粒子從初速度為零的狀態(tài)經(jīng)過電壓為U的電場加速后,粒子速度最大的是(

)A.質(zhì)子 B.氘核

C.氦核 D.鈉離子答案

A3.(多選)示波管是示波器的核心部件,它由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏組成,如圖所示.如果在熒光屏上P點(diǎn)出現(xiàn)亮斑,那么示波管中的(

)A.極板X應(yīng)帶正電B.極板X'應(yīng)帶正電C.極板Y應(yīng)帶正電D.極板Y'應(yīng)帶正電解析

由題意知電子在偏轉(zhuǎn)電極YY'間向Y板運(yùn)動,故Y板帶正電,C正確,D錯誤;在偏轉(zhuǎn)電極XX'間向X板運(yùn)動,故X板帶正電,A正確,B錯誤.答案

AC探究一帶電粒子的加速【問題情境】在真空中有一對平行金屬板,由于接上電池組而帶電,兩板間電勢差為U,若一個質(zhì)量為m、帶正電荷q的粒子,以初速度v0從正極板附近向負(fù)極板運(yùn)動.(1)怎樣計(jì)算該粒子到達(dá)負(fù)極板時的速度?(2)若粒子帶的是負(fù)電荷,將做勻減速直線運(yùn)動,如果能到達(dá)負(fù)極板,其速度變?yōu)槎嗌?(3)上述問題中,兩塊金屬板是平行的,兩板間的電場是勻強(qiáng)電場,如果兩金屬板是其他形狀,中間的電場不再均勻,上面的結(jié)果是否仍然適用?為什么?(3)結(jié)果仍然適用.因?yàn)椴还苁欠駷閯驈?qiáng)電場,靜電力做功都可以用W=qU計(jì)算,動能定理仍然適用.【知識歸納】1.帶電粒子的分類及受力特點(diǎn)(1)電子、質(zhì)子、α粒子、離子等微粒,一般都不考慮重力.(2)質(zhì)量較大的物體:帶電小球、帶電油滴、帶電顆粒等,除有說明或有明確的提示外,處理問題時一般都不能忽略重力.2.帶電粒子在電場中做直線運(yùn)動問題的分析方法

【典例剖析】例1(多選)如圖所示為示波管中電子槍的原理示意圖,示波管內(nèi)被抽成真空.A、K間電壓為U,電子離開A時的速度可以忽略,電子經(jīng)加速后從K小孔中射出時的速度大小為v.下面的說法中正確的是(

)答案

AC規(guī)律方法

分析帶電粒子在電場力作用下加速運(yùn)動的兩種方法(1)利用牛頓第二定律F=ma和運(yùn)動學(xué)公式.只能用來分析帶電粒子的勻變速運(yùn)動.變式訓(xùn)練

1如圖所示,M和N是勻強(qiáng)電場中的兩個等勢面,相距為d,電勢差為U,一質(zhì)量為m(不計(jì)重力)、電荷量為-q的粒子,以速度v0通過等勢面M射入兩等勢面之間,則該粒子穿過等勢面N的速度應(yīng)是(

)答案

C探究二帶電粒子的偏轉(zhuǎn)【問題情境】如圖所示,質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子以初速度v0垂直于電場方向射入兩極板間并從另外一側(cè)射出,兩平行板間存在方向豎直向下的勻強(qiáng)電場,已知板長為l,板間電壓為U,板間距為d,不計(jì)粒子的重力.(1)怎樣求帶電粒子在電場中運(yùn)動的時間t?(2)粒子加速度大小是多少?方向如何?(3)怎樣求粒子射出電場時在靜電力方向上的偏轉(zhuǎn)距離?(4)粒子離開電場時垂直電場方向和沿電場方向的速度是多少?(5)合速度與初速度方向的夾角θ的正切值是多少?(6)粒子合位移與初速度方向的夾角α的正切值是多少?【知識歸納】1.基本規(guī)律2.幾個常用推論

和平拋運(yùn)動規(guī)律相似(1)tanθ=2tanα.(2)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延長線交于沿初速度方向分位移的中點(diǎn).(3)以相同的初速度進(jìn)入同一個偏轉(zhuǎn)電場的帶電粒子,不論m、q是否相同,只要

相同,即比荷相同,則偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角θ相同.(4)若以相同的初動能Ek0進(jìn)入同一個偏轉(zhuǎn)電場,只要q相同,不論m是否相同,則偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角θ相同.(5)不同的帶電粒子經(jīng)同一加速電場加速后(即加速電壓相同),進(jìn)入同一偏轉(zhuǎn)電場,則偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角θ相同【典例剖析】例2一束電子流經(jīng)U=500V的加速電壓加速后,在距兩極板等距處垂直進(jìn)入平行板間的勻強(qiáng)電場,如圖所示,若兩極板間距d=1.0cm,板長l=5.0cm.(1)要使電子能從平行板間飛出,兩個極板上最多能加多大電壓?(2)在保持所加最大電壓不變的情況下,將電子流改為質(zhì)子流,質(zhì)子能否從兩極板間飛出?答案

(1)40V

(2)見解析規(guī)律方法

帶電粒子在電場中運(yùn)動問題的處理方法帶電粒子在電場中運(yùn)動的問題實(shí)質(zhì)上是力學(xué)問題的延續(xù),從受力角度看,帶電粒子與一般物體相比多受到一個電場力;從處理方法上看,仍可利用力學(xué)中的規(guī)律分析,如選用平衡條件、牛頓運(yùn)動定律、動能定理、功能關(guān)系、能量守恒等.變式訓(xùn)練

2長為L的平行金屬板水平放置,兩極板帶等量的異種電荷,板間形成勻強(qiáng)電場,一個帶電荷量為+q、質(zhì)量為m的帶電粒子,以初速度v0緊貼上極板垂直于電場線方向進(jìn)入該電場,剛好從下極板邊緣射出,射出時速度恰與水平方向成30°角,如圖所示,不計(jì)粒子重力,求:(1)粒子離開電場時的速度大小;(2)勻強(qiáng)電場的場強(qiáng)大小.探究三帶電粒子在交變電場中的運(yùn)動【問題情境】常見的交變電場的電壓波形有方形波、鋸齒波、正弦波等,如何研究帶電粒子在這種復(fù)雜的電場中的運(yùn)動?要點(diǎn)提示

可分段研究,把復(fù)雜的電場簡單化.【知識歸納】1.常見的題目類型(1)粒子做單向直線運(yùn)動(一般用牛頓運(yùn)動定律求解).(2)粒子做往返運(yùn)動(一般分段研究).(3)粒子做偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(一般根據(jù)交變電場特點(diǎn)分段研究).2.思維方法(1)注重全面分析(分析受力特點(diǎn)和運(yùn)動規(guī)律),抓住粒子的運(yùn)動具有周期性和在空間上具有對稱性的特征,求解粒子運(yùn)動過程中的速度、位移、做功或確定與物理過程相關(guān)的邊界條件.(2)分析時從兩條思路出發(fā),一是力和運(yùn)動的關(guān)系,根據(jù)牛頓第二定律及運(yùn)動學(xué)規(guī)律分析;二是功能關(guān)系.(3)注意對稱性和周期性變化關(guān)系的應(yīng)用.要點(diǎn)筆記電場方向變化,加速度隨著變化,但速度方向不一定變化.【典例剖析】例3如圖甲所示,兩平行正對的金屬板A、B間加有如圖乙所示的交變電壓,一重力可忽略不計(jì)的帶正電粒子被固定在兩板的正中間P處.若在t0時刻釋放該粒子,粒子會時而向A板運(yùn)動,時而向B板運(yùn)動,并最終打在A板上.則t0可能屬于的時間段是(

)解析

設(shè)粒子的速度方向、位移方向向右為正.依題意知,粒子的速度方向時而為正,時而為負(fù),最終打在A板上時,位移為負(fù),速度方向?yàn)樨?fù).分別作出時粒子運(yùn)動的速度圖像,如圖所示.答案

B變式訓(xùn)練

3在空間有正方向水平向右、大小按如圖所示的圖線變化的電場,位于電場中A點(diǎn)的電子在t=0時速度為零,在t=1s時,電子離開A點(diǎn)的距離大小為l.那么在t=2s時,電子將處在(

)A.A點(diǎn)

B.A點(diǎn)左方l處C.A點(diǎn)右方2l處 D.A點(diǎn)左方2l處解析

第1

s內(nèi)電場方向向右,電子受到的靜電力方向向左,電子向左做勻加速直線運(yùn)動,位移為l,第2

s內(nèi)電子受到的靜電力方向向右,由于電子此時有向左的速度,所以電子繼續(xù)向左做勻減速直線運(yùn)動,根據(jù)運(yùn)動的對稱性,位移也是l,t=2

s時總位移為2l,向左.答案

D

隨堂訓(xùn)練1.帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場中偏轉(zhuǎn)時(除電場力外不計(jì)其他力的作用),下列說法正確的是(

)A.電勢能增加,動能增加B.電勢能減小,動能增加C.電勢能和動能都不變D.上述結(jié)論都不正確解析

根據(jù)能量守恒定律可知,只有電場力做功的情況下,動能和電勢能之和保持不變,電場力做正功,電勢能減小,動能增加,故B選項(xiàng)正確.答案

B2.如圖所示,在點(diǎn)電荷+Q激發(fā)的電場中有A、B兩點(diǎn),將質(zhì)子和α粒子分別從A點(diǎn)由靜止釋放,到達(dá)B點(diǎn)時,它們的速度大小之比為(

)A.1∶2B.2∶1 答案

C3.(多選)一帶正電的小球向右水平拋入范圍足夠大的勻強(qiáng)電場,電場方向水平向左.不計(jì)空氣阻力,則小球(

)A.做直線運(yùn)動B.做曲線運(yùn)動C.速率先減小后增大D.速率先增大后減小解析

由題意知,小球受重力、電場力作用,合外力的方向與初速度的方向夾角為鈍角,故小球做曲線運(yùn)動,所以A項(xiàng)錯誤,B項(xiàng)正確;在運(yùn)動的過程中合外力先做負(fù)功后做正功,所以C項(xiàng)正確,D項(xiàng)錯誤.答案

BC4.如圖所示,有一帶電粒子貼著A板沿水平方向射入勻強(qiáng)電場,當(dāng)偏轉(zhuǎn)電壓為U1時,帶電粒子沿①軌跡從兩板正中間飛出;當(dāng)偏轉(zhuǎn)電壓為U2