2018-2019学年高中物理 第一章 第9节 带电粒子在电场中的运动学案（含解析）新人教版选修3-1.doc

带电粒子在电场中的运动1.带电粒子仅在电场力作用下加速时，可根据动能定理求速度。2带电粒子以速度v0垂直进入匀强电场时，如果仅受电场力，则做类平抛运动。3示波管利用了带电粒子在电场中的加速和偏转原理。 一、带电粒子的加速1基本粒子的受力特点对于质量很小的基本粒子，如电子、质子等，虽然它们也会受到万有引力(重力)的作用，但万有引力(重力)一般远远小于静电力，可以忽略不计。2带电粒子加速问题的处理方法 (1)利用动能定理分析。初速度为零的带电粒子，经过电势差为U的电场加速后，qUmv2，则v 。(2)在匀强电场中也可利用牛顿定律结合运动学公式分析。二、带电粒子的偏转两极板长为l，极板间距离为d、电压为U。质量为m、带电量为q的基本粒子，以初速度v0平行两极板进入匀强电场后，粒子的运动特点和平抛运动相似：(1)初速度方向做匀速直线运动，穿越两极板的时间t。(2)电场线方向做初速度为零的匀加速直线运动，加速度a。三、示波管的原理1构造示波管是示波器的核心部件，外部是一个抽成真空的玻璃壳，内部主要由电子枪(发射电子的灯丝、加速电极组成)、偏转电极(由一对X偏转电极板和一对Y偏转电极板组成)和荧光屏组成，如图所示。2原理(1)扫描电压：XX偏转电极接入的是由仪器自身产生的锯齿形电压。(2)灯丝被电源加热后，出现热电子发射，发射出来的电子经加速电场加速后，以很大的速度进入偏转电场，如果在Y偏转极板上加一个信号电压，在X偏转极板上加一扫描电压，在荧光屏上就会出现按Y偏转电压规律变化的可视图像。1自主思考判一判(1)基本带电粒子在电场中不受重力。()(2)带电粒子仅在电场力作用下运动时，动能一定增加。()(3)带电粒子在匀强电场中偏转时，其速度和加速度均不变。()(4)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。()(5)示波管电子枪的作用是产生高速飞行的电子束，偏转电极的作用是使电子束发生偏转，打在荧光屏的不同位置。()(6)示波管的荧光屏上显示的是电子的运动轨迹。()2合作探究议一议(1)带电粒子在电场中运动时，什么情况下重力可以忽略？提示：当带电粒子的重力远小于静电力时，粒子的重力就可以忽略。微观带电粒子，如电子、质子、离子、粒子等除有说明或明确暗示外，处理问题时均不计重力。而带电的液滴、小球等除有说明或明确暗示外，处理问题时均应考虑重力。(2)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L和初速度v0有关；若打在极板上，则与电场强度E和板间距离有关。(3)当示波管的偏转电极没有加电压时，电子束将打在荧光屏什么位置？提示：偏转电极不加电压，电子束沿直线运动、打在荧光屏中心，形成一个亮斑。 带电粒子的加速问题1带电粒子的加速当带电粒子以很小的速度进入电场中，在静电力作用下做加速运动，示波器、电视显像管中的电子枪、回旋加速器都是利用电场对带电粒子加速的。2处理方法可以从动力学和功能关系两个角度进行分析，其比较如下：动力学角度功能关系角度涉及知识应用牛顿第二定律结合匀变速直线运动分式功的公式及动能定理选择条件匀强电场，静电力是恒力可以是匀强电场，也可以是非匀强电场，电场力可以是恒力，也可以是变力1如图所示，电子由静止开始从A板向B板运动，到达B板时的速度为v，保持两板间的电压不变，则()A当增大两板间的距离时，速度v增大B当减小两板间的距离时，速度v减小C当减小两板间的距离时，速度v不变D当减小两板间的距离时，电子在两板间运动的时间变长解析：选C由动能定理得eUmv2，当改变两板间的距离时，U不变，v就不变，故选项A、B错误，C正确；电子做初速度为零的匀加速直线运动，得t，当d减小时，v不变，电子在板间运动的时间变短，故选项D错误。2多选如图所示，从F处释放一个无初速度的电子向B板方向运动，则下列对电子运动的描述中正确的是(设电源电压为U)()A电子到达B板时的动能是eUB电子从B板到达C板动能变化量为零C电子到达D板时动能是3eUD电子在A板和D板之间做往复运动解析：选ABD由eUEkB可知，电子到达B板时的动能为eU，A正确；因B、C两板间电势差为0，故电子从B板到达C板的过程中动能变化量为零，B正确；电子由C到D的过程中电场力做负功大小为eU，故电子到达D板时速度为零，然后又返回A板，以后重复之前的运动，C错误，D正确。3如图所示，一个质子以初速度v05106 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3105 N/C。质子质量m1.671027 kg，电荷量q1.601019 C。求质子由板上小孔射出时的速度大小。解析：根据动能定理Wmv12mv02而WEp1Ep0qEd1.60101931050.2 J9.61015 J所以v1 m/s6106 m/s质子飞出时的速度约为6106 m/s。答案：6106 m/s带电粒子在匀强电场中的偏转问题1基本规律(1)初速度方向(2)电场线方向(3)离开电场时的偏转角：tan (4)离开电场时位移与初速度方向的夹角：tan 。2几个常用推论(1)tan 2tan 。(2)粒子从偏转电场中射出时，其速度反向延长线与初速度方向延长线交于沿初速度方向分位移的中点。(3)以相同的初速度进入同一个偏转电场的带电粒子，不论m、q是否相同，只要相同，即荷质比相同，则偏转距离y和偏转角相同。(4)若以相同的初动能Ek0进入同一个偏转电场，只要q相同，不论m是否相同，则偏转距离y和偏转角相同。(5)不同的带电粒子经同一加速电场加速后(即加速电压相同)，进入同一偏转电场，则偏转距离y和偏转角相同。典例一束电子流在经U5 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。若两板间距d1.0 cm，板长l5.0 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？思路点拨(1)电子经电压U加速后的速度v0可由eUmv02求出。(2)初速度v0一定时偏转电压越大偏转位移越大。(3)最大偏转位移对应最大偏转电压。解析加速过程，由动能定理得eUmv02进入偏转电场，电子在平行于板面的方向上做匀速运动lv0t在垂直于板面的方向做匀加速直线运动加速度a偏距yat2能飞出的条件为y联立式解得U4.0102 V即要使电子能飞出，所加电压最大为400 V。答案400 V带电粒子在电场中运动问题的处理方法带电粒子在电场中运动的问题实质上是力学问题的延续，从受力角度看带电粒子与一般物体相比多受到一个电场力；从处理方法上看仍可利用力学中的规律分析：如选用平衡条件、牛顿定律，动能定理、功能关系，能量守恒等。 1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，射入方向跟极板平行，整个装置处在真空中，重力可忽略，在满足电子能射出平行板区的条件下，下述四种情况中，一定能使电子的偏转角变大的是()AU1变大、U2变大BU1变小、U2变大CU1变大、U2变小DU1变小、U2变小解析：选B设电子被加速后获得的速度为v0，则由动能定理得qU1mv02设极板长为l，则电子在电场中偏转所用的时间为t设电子在平行板间受电场力作用产生的加速度为a，由牛顿第二定律得a电子射出偏转电场时，平行于电场方向的速度为vyat解得vy故tan 所以U2变大或U1变小都可能使偏转角变大，故选项B正确。2如图所示，两极板与电源相连接，电子从负极板边缘垂直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()A2倍B4倍C.D.解析：选C电子在两极板间做类平抛运动，水平方向lv0t，t，竖直方向dat2，故d2，即d，故C正确。3.两平行金属板A、B水平放置，一个质量为m5106 kg的带电粒子，以v02 m/s的水平速度从两板正中位置射入电场，如图所示，A、B两板间距离为d4 cm，板长l10 cm。(g取10 m/s2)(1)当A、B间的电压为UAB1 000 V时，粒子恰好不偏转，沿图中直线射出电场，求该粒子的电荷量和电性。(2)使B板接地，欲使该粒子射出偏转电场，求A板所加电势的范围。解析：(1)当UAB1 000 V时，重力跟静电力相等，粒子才沿初速度v0方向做匀速直线运动，故qmg，q2109 C；重力方向竖直向下，静电力方向竖直向上，而场强方向竖直向下(UAB0)，所以粒子带负电。(2)当qEmg时，带电粒子向上偏，从右上边缘M点飞出，设此时A1，因为B0，所以UAB1，静电力和重力都沿竖直方向，粒子在水平方向做匀速直线运动，速度vxv0。在竖直方向上ag，偏移位移y，所以dat2，联立解得12 600 V。当qEmg时，带电粒子向下偏转，设A2，则竖直方向ag，同理可得2600 V，故欲使粒子射出偏转电场，A板电势的范围为6002 600 V。答案：(1)2109 C带负电(2)6002 600 V带电粒子在交变电场中的运动典例在如图所示的平行板电容器的两板A、B上分别加如图甲、乙所示的两种电压，开始B板的电势比A板高。在电场力作用下原来静止在两板中间的电子开始运动。若两板间距足够大，且不计重力，试分析电子在两种交变电压作用下的运动情况，并画出相应的vt图像。解析t0时，B板电势比A板高，在电场力作用下，电子向B板(设为正向)做初速度为零的匀加速运动。(1)对于图甲，在0T电子做初速度为零的正向匀加速直线运动，TT电子做末速度为零的正向匀减速直线运动，然后周期性地重复前面的运动，其速度图线如图(1)所示。(2)对于图乙，在0做类似(1)0T的运动，T电子做反向先匀加速、后匀减速、末速度为零的直线运动。然后周期性地重复前面的运动，其速度图线如图(2)所示。答案见解析带电粒子在交变电场中的运动可以是单向直线运动，也可以是往复周期性运动，与运动的开始时刻有关系，一般分析一个周期内的运动，一个周期以后重复第一个周期内的运动形式。 1.多选带正电的微粒放在电场中，场强的大小和方向随时间变化的规律如图所示。带电微粒只在电场力的作用下由静止开始运动，则下列说法中正确的是()A微粒在01 s内的加速度与12 s内的加速度相同B微粒将沿着一条直线运动C微粒做往复运动D微粒在第1 s内的位移与第3 s内的位移相同解析：选BD01 s和12 s微粒的加速度大小相等，方向相反，A错；01 s和12 s微粒分别做匀加速直线运动和匀减速直线运动，根据这两段运动的对称性，12 s的末速度为0，所以每个1 s内的位移均相同且2 s以后的运动重复02 s的运动，是单向直线运动，B、D正确，C错误。2如图(a)所示，在两平行金属板中央有一个静止的电子(不计重力)，当两板间的电压分别如图(b)甲、乙、丙、丁所示，电子在板间运动(假设不与板相碰)，下列说法正确的是()A电压是甲图时，在0T时间内，电子的电势能一直减少B电压是乙图时，在0时间内，电子的电势能先增加后减少C电压是丙图时，电子在板间做往复运动D电压是丁图时，电子在板间做往复运动解析：选D若是甲图，电场力先向左后向右，则粒子先做匀加速直线运动，后做匀减速直线运动，即电场力先做正功后做负功，电势能先减少后增加，故A错误；电压是乙图时，在0时间内，电子先加速后减速，即电场力先做正功后做负功，电势能先减少后增加，故B错误；电压是丙图时，电子先做加速度先增大后减小的加速运动，过了做加速度先增加后减小的减速运动，到T时速度减为0，之后继续朝同一方向加速减速，故粒子一直朝同一方向运动，C错误；电压是丁图时，电子先加速，到后减速，后反向加速，后减速，T时减为零，之后又重复0T的运动过程，故粒子做往复运动，D正确。1多选示波管是示波器的核心部件，它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成，如图所示。如果在荧光屏上P点出现亮斑，那么示波管中的()A极板X应带正电B极板X应带正电C极板Y应带正电D极板Y应带正电解析：选AC由题意可知，在XX方向上向X方向偏转，X带正电，A对B错；在YY方向上向Y方向偏转，Y带正电，C对D错。2如图所示，两平行金属板竖直放置，板上A、B两孔正好水平相对，板间电压为500 V。一个动能为400 eV的电子从A孔沿垂直金属板方向射入电场中，经过一段时间电子离开电场，若不考虑重力的影响，则电子离开电场时的动能大小为()A900 eVB500 eVC400 eVD100 eV解析：选C电子从A向B运动时，电场力对电子做负功，若当电子到达B点时，克服电场力所做的功WqU500 eV400 eV，因此电子不能到达B点，电子向右做减速运动，在到达B之前速度变为零，然后反向运动，从A点离开电场，在整个过程中，电场力做功为零，由动能定理可知，电子离开电场时的动能：Ek400 eV，故C正确。3如图所示，质量相等的两个带电液滴1和2从水平方向的匀强电场中O点自由释放后，分别抵达B、C两点，若ABBC，则它们带电荷量之比q1q2等于()A12B21C1D.1解析：选B竖直方向有hgt2，水平方向有lt2，联立可得q，所以有，B对。4一束正离子以相同的速率从同一位置，沿垂直于电场方向飞入匀强电场中，所有离子的运动轨迹都是一样的，这说明所有粒子()A都具有相同的质量B都具有相同的电荷量C具有相同的荷质比D都是同一元素的同位素解析：选C由偏转距离y2可知，若运动轨迹相同，则水平位移相同，偏转距离y也应相同，已知E、l、v0是相同的，所以应有相同。5.多选两个共轴的半圆柱形电极间的缝隙中，存在一沿半径方向的电场，如图所示。带正电的粒子流由电场区域的一端M射入电场，沿图中所示的半圆形轨道通过电场并从另一端N射出，由此可知(不计粒子重力)()A若入射粒子的电荷量相等，则出射粒子的质量一定相等B若入射粒子的电荷量相等，则出射粒子的动能一定相等C若入射粒子的电荷量与质量之比相等，则出射粒子的速率一定相等D若入射粒子的电荷量与质量之比相等，则出射粒子的动能一定相等解析：选BC由题图可知，该粒子在电场中做匀速圆周运动，电场力提供向心力qEm得r，r、E为定值，若q相等则mv2一定相等；若相等，则速率v一定相等，故B、C正确。6多选喷墨打印机的简化模型如图所示，重力可忽略的墨汁微滴，经带电室带负电后，以速度v垂直匀强电场飞入极板间，最终打在纸上。则微滴在极板间电场中()A向正极板偏转B电势能逐渐增大C运动轨迹是抛物线D运动轨迹与带电量无关解析：选AC由于微滴带负电，电场方向向下，因此微滴受到的电场力方向向上，微滴向正极板偏转，A项正确；偏转过程中电场力做正功，根据电场力做功与电势能变化的关系，电势能减小，B项错误；微滴在垂直于电场方向做匀速直线运动，位移xvt，沿电场反方向做初速度为零的匀加速直线运动，位移yt22，此为抛物线方程，C项正确；从式中可以看出，运动轨迹与带电荷量q有关，D项错误。7一个动能为Ek的带电粒子，垂直于电场线方向飞入平行板电容器，飞出电容器时动能为2Ek。如果使这个带电粒子的初速度变为原来的两倍，那么它飞出电容器的动能变为()A8EkB5EkC4.25EkD4Ek解析：选C因为偏转距离为y，带电粒子的初速度变为原来的两倍时，偏转距离变为，所以静电力做功只有W0.25Ek，而初动能变为4Ek，故它飞出电容器时的动能变为4.25Ek。故正确选项为C。8(2017江苏高考)如图所示，三块平行放置的带电金属薄板A、B、C中央各有一小孔，小孔分别位于O、M、P点。由O点静止释放的电子恰好能运动到P点。现将C板向右平移到P点，则由O点静止释放的电子()A运动到P点返回B运动到P和P点之间返回C运动到P点返回D穿过P点解析：选A电子在A、B板间的电场中加速运动，在B、C板间的电场中减速运动，设A、B板间的电压为U，B、C板间的电场强度为E，M、P两点间的距离为d，则有eUeEd0，若将C板向右平移到P点，B、C两板所带电荷量不变，由E可知，C板向右平移到P时，B、C两板间的电场强度不变，由此可以判断，电子在A、B板间加速运动后，在B、C板间减速运动，到达P点时速度为零，然后返回，A项正确，B、C、D项错误。9多选如图所示，在正方形ABCD区域内有平行于AB边的匀强电场，E、F、G、H是各边中点，其连线构成正方形，其中P点是EH的中点。一个带正电的粒子(不计重力)从F点沿FH方向射入电场后恰好从D点射出。下列说法正确的是()A粒子的运动轨迹一定经过P点B粒子的运动轨迹一定经过PE之间某点C若将粒子的初速度变为原来的一半，粒子会由E、D之间某点(不含E、D)射出正方形ABCD区域D若将粒子的初速度变为原来的一半，粒子恰好由E点射出正方形ABCD区域解析：选BD粒子从F点沿FH方向射入电场后恰好从D点射出，其轨迹是抛物线，则过D点作速度的反向延长线一定交于FH的中点，而延长线又经过P点，所以粒子轨迹一定经过PE之间某点，选项A错误，B正确；由平抛知识可知，当竖直位移一定时，水平速度变为原来的一半，则水平位移也变为原来的一半，选项C错误，D正确。10多选如图所示，三个质量相同，带电荷量分别为q、q和0的小液滴a、b、c，从竖直放置的两板中间上方由静止释放，最后从两板间穿过，轨迹如图所示，则在穿过极板的过程中()A电场力对液滴a、b做的功相同B三者动能的增量相同C液滴a与液滴b电势能的变化量相等D重力对c做的功最多解析：选AC因为液滴a、b的电荷量大小相等，则液滴所受的电场力大小相等，由静止释放，穿过两板的时间相等，则偏转位移大小相等，电场力做功相等，故A正确；电场力对a、b两液滴做功相等，重力做功相等，则动能的增量相等，对于c液滴，只有重力做功，小于a、b动能的增量，故B错误；对于液滴a和液滴b，电场力均做正功，电场力所做的功等于电势能的变化量，故C正确；三者在穿过极板的过程中竖直方向的位移相等，三者质量相同，所以重力做功相等，故D错误。11一个质量为m、电荷量为q的带电粒子以平行于两极板的速度v0进入匀强电场，如图所示。如果两极板间电压为U，两极板间的距离为d、板长为L。设粒子束不会击中极板，求粒子从进入电场到飞出极板时电势能的变化量。(粒子的重力忽略不计)解析：水平方向匀速，则运动时间t竖直方向加速，则偏移yat2且a由得y则电场力做功WqEyq由功能原理得电势能减少了。答案：电势能减少了12如图所示，A、B和C、D为两平行金属板，A、B两板间电势差为U，C、D始终和电源相接，测得其间的场强为E。一质量为m、电荷量为q的带电粒子(重力不计)由静止开始，经A、B加速后穿过C、D发生偏转，最后打在荧光屏上，已知C、D极板长均为x，荧光屏距C、D右端的距离为L，问：(1)粒子离开A、B加速电场时速度大小。(2)粒子打在荧光屏上的位置距O点多远处。(3)粒子打在荧光屏上时的动能为多大。解析：(1)设粒子从A、B间射出时的速度为v，根据动能定理，则有qUmv2，v 。(2)设粒子离开偏转电场时偏离原来方向的角度为，偏转距离为y，则在水平方向有vxv，xvxt在竖直方向有vyat，yat2粒子在偏转电场中的加速度a。由此得到tan ，y所以粒子打在荧光屏上的位置距O点的距离为yyLtan 。(3)对于粒子运动的整个过程应用动能定理qUqEyEk，得EkqUqE。答案：(1) (2)(3)