22帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)課件高二上學(xué)期物理粵教版

第二章

靜電場的應(yīng)用第二節(jié)帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)問題：

由于醫(yī)用電子直線加速器需要產(chǎn)生的粒子速度非常大，我們是如何使帶電粒子獲得較高的能量？情境:

如圖，在加上電壓U并處于真空中相距

d的平行金屬板間有一正電荷q,質(zhì)量為m,只在電場力作用下由靜止開始從正極板A向負(fù)極板B運(yùn)動(dòng)。任務(wù)1.分析“一級(jí)靜電加速器”的工作原理ABUdE+Fv問題：電荷將做什么運(yùn)動(dòng)？到達(dá)B

板的速度多大？方法一：動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)：——主要用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律ABUdE+Fv由牛頓第二定律：由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式：初速度不為零呢？只適用于勻強(qiáng)電場電場力:F=qE粒子加速后的速度只與加速電壓有關(guān)任務(wù)1.分析“一級(jí)靜電加速器”的工作原理任務(wù)1.分析“一級(jí)靜電加速器”的工作原理總結(jié)：粒子加速后的速度只與加速電壓有關(guān)。ABUdE+Fv初速度不為零呢？方法二：能量觀點(diǎn)：——利用動(dòng)能定理思考：若兩極板間不是勻強(qiáng)電場，該用何種方法求解？若粒子的初速度為零,則:若粒子的初速度不為零,則:能量觀點(diǎn)——?jiǎng)幽芏ɡ砹Ｗ釉诜莿驈?qiáng)電場中加速，適合從能量觀點(diǎn)解決問題。FEAB

任務(wù)1.分析“一級(jí)靜電加速器”的工作原理任務(wù)2.分析兩種不同原理的“多級(jí)靜電加速器”問題：如圖多級(jí)平行板連接，能否加速粒子？U＋＋＋－－－ABCDEF任務(wù)2.分析兩種不同原理的“多級(jí)靜電加速器”U~＋－U0u0-u0tT2Tt若電子勻速穿過每個(gè)圓筒運(yùn)動(dòng)的時(shí)間恰好等于交變電源周期的一半問題：(1)帶電粒子是在金屬筒內(nèi)加速還是在金屬筒之間加速?(2)為什么要使用交變電源，交變電源的周期有什么特點(diǎn)?任務(wù)2.分析兩種不同原理的“多級(jí)靜電加速器”～U0u0-u0tT2TtU~＋－問題:金屬筒的長度有什么規(guī)律?任務(wù)2.分析兩種不同原理的“多級(jí)靜電加速器”方法：分析帶電粒子加速的問題，常有兩種思路∶動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)（利用牛頓第二定律結(jié)合勻變速直線運(yùn)動(dòng)公式）能量觀點(diǎn)（靜電力做功結(jié)合動(dòng)能定理）當(dāng)解決的問題屬于勻強(qiáng)電場且涉及運(yùn)動(dòng)時(shí)間等描述運(yùn)動(dòng)過程的物理量時(shí)，適合運(yùn)用動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)分析;當(dāng)問題只涉及位移、速率等動(dòng)能定理公式中的物理量或非勻強(qiáng)電場情景時(shí)，適合運(yùn)用能量觀點(diǎn)分析。任務(wù)2.分析兩種不同原理的“多級(jí)靜電加速器”例題：如圖甲，為多級(jí)靜電加速器。如圖乙，交變電源兩極間電勢差的變化規(guī)律。在t＝0時(shí)，奇數(shù)圓筒相對(duì)偶數(shù)圓筒的電勢差為正值，此時(shí)位于和偶數(shù)圓筒相連的金屬圓板（序號(hào)為0）中央的一個(gè)電子，在圓板和圓筒1之間的電場中由靜止開始加速。若已知電子的質(zhì)量為m，電子電荷量為e，電壓的絕對(duì)值為u，周期為T，電子通過圓筒間隙的時(shí)間可以忽略不計(jì)。問：（1）電子離開圓筒1的速度多大？圓筒1的長度多大？（2）電子離開圓筒2的速度多大？圓筒2的長度多大？（3）電子離開圓筒n的速度多大？圓筒n的長度多大？任務(wù)2.分析兩種不同原理的“多級(jí)靜電加速器”科學(xué)家們?yōu)榱耸闺娮荧@得無限接近光速的動(dòng)能，給歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)鋪設(shè)了周長為27km的加速管道.任務(wù)2.分析兩種不同原理的“多級(jí)靜電加速器”小結(jié)1.研究“一級(jí)靜電粒子加速器”工作原理。從運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，從功和能量變化的關(guān)系兩個(gè)角度分析帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的加速問題。2.研究兩種“多級(jí)靜電粒子加速器”的不同原理。任務(wù)3.分析陰極射線管實(shí)驗(yàn)原理分析問題：實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)加速電場或偏轉(zhuǎn)電場的電壓，電子運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化。(1)電子在電場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)和我以前學(xué)過的哪個(gè)運(yùn)動(dòng)相似?(2)電子偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所處空間的電場有什么特點(diǎn)?任務(wù)2.分析帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)如圖，一帶電粒子以垂直勻強(qiáng)電場的場強(qiáng)方向以初速度v0

射入電場，若不計(jì)粒子的重力，帶電粒子將做什么運(yùn)動(dòng)？1.受力分析：僅受豎直向下的電場力做類平拋運(yùn)動(dòng)2.運(yùn)動(dòng)分析：v0q、mLd----------+++++++++U++垂直電場方向：勻速直線運(yùn)動(dòng)沿電場方向：初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)任務(wù)2.分析帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)Ld+-------------

+++++++++++

Uv0q、mF+vv0vyyθ偏轉(zhuǎn)角（偏向角）偏移距離（側(cè)移距離或側(cè)移量）如圖，粒子以初速度v0射入電場，求射出電場時(shí)沿垂直于板面方向偏移的距離y和速度偏轉(zhuǎn)的角度θ正切值。任務(wù)2.分析帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

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

lv0dU-qmθvv0v⊥y類平拋運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)角偏移量F3.豎直分位移（側(cè)移距離）:4.速度偏轉(zhuǎn)角:若粒子帶負(fù)電小結(jié)當(dāng)偏轉(zhuǎn)電場的U、L、d一定：Ld----------+++++++++Uv0q、m++vyθvv0y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平方成反比與電場的屬性U、l、d有關(guān)1.初速度相同的帶電粒子，無論m、q是否相同，只要q/m相同，則偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角度θ都相同。(即軌跡重合)2.初動(dòng)能相同的帶電粒子，只要q相同，無論m是否相同，則偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角度θ都相同。(即軌跡重合)【推論】帶電粒子離開偏轉(zhuǎn)電場時(shí),其瞬時(shí)速度的反向延長線過水平位移的中點(diǎn)。且速度偏角正切值是位移偏角正切值的2倍，即

小結(jié)任務(wù)2.分析帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)任務(wù)2.分析帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加速電壓

電子槍偏轉(zhuǎn)電極亮斑亮斑熒光屏

電子槍產(chǎn)生高速飛行的電子束

加速電壓

示波管的構(gòu)造ABU1E+F----------+++++++++U2+vyθyvv0v0結(jié)論：不同帶電粒子由靜止經(jīng)同一電場加速，再垂直進(jìn)入同一偏轉(zhuǎn)電場，它們飛出的側(cè)移量y和偏轉(zhuǎn)角θ都是相同的，也就是說運(yùn)動(dòng)軌跡是完全重合的，與m、q無關(guān)，但與電性有關(guān)。任務(wù)3.帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)【典例3】如圖所示為兩組平行金屬板，一組豎直放置，一組水平放置，今有一質(zhì)量為m的電子(電荷量為e)靜止在豎直放置的平行金屬板的A點(diǎn)，經(jīng)電壓U0加速后通過B點(diǎn)進(jìn)入兩間距為d、電壓為U的水平放置的平行金屬板間，若電子從兩塊水平平行板的正中間射入，且最后電子剛好能從右側(cè)的兩塊平行金屬板穿出，A、B分別為兩塊豎直板的中點(diǎn)，不計(jì)電子重力，求：(1)電子通過B點(diǎn)時(shí)的速度大小；(2)右側(cè)平行金屬板的長度；(3)電子穿出右側(cè)平行金屬板時(shí)的動(dòng)能。任務(wù)3.帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)

任務(wù)3.帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)任務(wù)3.帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)

鞏固提升【練習(xí)2】如圖，一帶正電荷的粒子以豎直向上的速度v從P點(diǎn)進(jìn)入水平向右的勻強(qiáng)電場中，已知粒子所受重力與其所受的電場力大小相等。與在P點(diǎn)相比，粒子運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)（

）A．電勢能增加，動(dòng)能不變 B．電勢能減小，動(dòng)能不變C．重力勢能增加，動(dòng)能減小 D．重力勢能增加，動(dòng)能增加【正確答案】B鞏固提升【練習(xí)5】（2022·遼寧營口·高二開學(xué)考試）如圖所示，長為L的絕緣細(xì)線一端連著帶正電小球（視為點(diǎn)電荷），另一端固定在O點(diǎn)，小球在豎直平面內(nèi)繞O