高一物理课件 1.9 《带电粒子在电场中的运动》 14 新人教选修3-1

欢迎进入物理课堂 第一章 静电场 第九节 带电粒子在电场中的运动 教学目标 知识与能力 1 了解带电粒子在电场中的运动 只受电场力 带电粒子做匀变速运动 2 重点掌握初速度与场强方向垂直的带电粒子在电场中的运动 类平抛运动 3 知道示波管的主要构造和工作原理 4 渗透物理学方法的教育 运用理想化方法 突出主要因素 忽略次要因素 不计粒子重力 5 培养综合分析问题的能力 体会物理知识的实际应用 教学重点 带电粒子在电场中的加速和偏转规律教学难点 带电粒子在电场中的偏转问题及应用 1 带电粒子在电场中的运动情况 平衡 加速和减速 若带电粒子在电场中所受合力为零时 即 F 0时 粒子将保持静止状态或匀速直线运动状态 分析 带电粒子处于静止状态 F 0 Eq mg 因为所受重力竖直向下 所以所受电场力必为竖直向上 又因为场强方向竖直向下 所以带电体带负电 1 带电粒子在电场中的运动情况 平衡 加速和减速 若带电粒子在电场中所受合力为零时 即 F 0时 粒子将保持静止状态或匀速直线运动状态 若 F 0 只受电场力 且与初速度方向在同一直线上 带电粒子将做加速或减速直线运动 变速直线运动 打入正电荷 如图 将做匀加速直线运动 设电荷所带的电量为q 板间场强为E 电势差为U 板距为d 电荷到达另一极板的速度为v 则 电场力所做的功为W EqL Uq粒子到达另一极板的动能为Ek mv2 2由动能定理有Uq mv2 2 或EqL mv2 2对恒力 若初速为v0 则上列各式又应怎么样 若打入的是负电荷 初速为v0 将做匀减速直线运动 其运动情况可能如何 请同学们讨论 llllll vo 1 带电粒子在电场中的运动情况 平衡 加速和减速 若带电粒子在电场中所受合力为零时 即 F 0时 粒子将保持静止状态或匀速直线运动状态 若 F 0 只受电场力 且与初速度方向在同一直线上 带电粒子将做加速或减速直线运动 变速直线运动 关于重力是否考虑的问题 1 题目明确了重力不计或不能忽略重力的情况 2 题目未明确的情况下 a 基本粒子 如电子 质子 离子等 重力一般忽略 b 带电颗粒 如液滴 尘埃 小球等 重力一般不能忽略 讨论 例题1 如图所示 水平放置的A B两平行板相距h 上板A带正电 现有质量为m 带电量为 q的小球在B板下方距离为H处 以初速度V0竖直向上从B板小孔进入板间电场 欲使小球刚好打到A板 A B间电势差UAB应为多少 解 将动能定理用于运动全过程 由W Ek得 例1 下列粒子从初速度为零的状态经加速电压为U的电场后 哪种粒子速度最大 A 质子B 氘核C 氦核D 钠离子 A 哪种粒子动能最大 C BCD 练习 如图从F处释放一个无初速度电子向B板方向运动 指出下列对电子运动描述中 正确的是 设电源电动势均为U A 电子到达B板时的动能是Ue B 电子从B板到达C板时动能的变化量为零 C 电子到达D板时动能为Ue 电子在 板与 板间作往返运动 2 带电粒子在电场中的偏转 不计重力 且初速度vo E 则带电粒子将在电场中做类平抛运动 物体在只受重力的作用下 被水平抛出 在水平方向上不受力 将做匀速直线运动 在竖直方向上只受重力 做初速度为零的自由落体运动 物体的实际运动为这两种运动的合运动 思考与讨论 若带电粒子在电场中所受合力 F 0 且与初速度方向有夹角 不等于0 180 则带电粒子将做什么运动 曲线运动 详细分析讲解例题2 2 带电粒子在电场中的偏转 d q l 2 解 粒子vo在电场中做类平抛运动沿电场方向匀速运动所以有 L vot 电子射出电场时 在垂直于电场方向偏移的距离为 y at2 2 粒子在垂直于电场方向的加速度 a F m eE m eU md 由 得 代入数据得 y 0 36m即电子射出时沿垂直于板面方向偏离0 36m电子射出电场时沿电场方向的速度不变仍为vo 而垂直于电场方向的速度 故电子离开电场时的偏转 角为 代入数据得 6 8 讨论 例1 带电粒子经加速电场加速后垂直进入两平行金属板间的偏转电场 要使它离开偏转电场时偏转角增大 可采用的办法有 A 增加带电粒子的电量B 降低加速电压 C 提高偏转电压 D 减小两平行板间的距离 BCD ACD B 练习二 如图所示 有三个质量相等分别带正电 负电和不带电的小球 从平行板电场中的P点以相同的初速度垂直于E进入电场 它们分别落到A B C三点 则可判断 A 三个小球在电场中运动加速度关系是aA aB aC D 落到A点的小球带正电 落到B点的小球不带电 C 三个小球在电场中运动时间相等 B 三个小球到达正极时的动能关系是EKA EKB EKC D 3 示波管的原理 1 示波器 用来观察电信号随时间变化的电子仪器 其核心部分是示波管 2 示波管的构造 由电子枪 偏转电极和荧光屏组成 如图 3 原理 利用了带电粒子在电场中偏转的规律 灵敏 直观地显示出电信号随时间变化的图线 小结 1 研究带电粒子在电场中运动的两条主要线索 1 力和运动的关系 牛顿第二定律 2 功和能的关系 动能定理2 研究带电粒子在电场中运动的两类重要的思维技巧 1 类比与等效电场力和重力都是恒力 在电场力作用下的运动可与重力作用下的运动类比 2 整体法 全过程法 电场力的功与重力的功一样 都只与始末位置有关 与路径无关 它们分别引起电荷电势能的变化和重力势能的变化 从电荷运动的全过程中功能关系出发 尤其从静止出发末速度为零的问题 往往能迅速找到解题入口或简化计算 U 教学目标完成了吗 1 了解带电粒子在电场中的运动 只受电场力 带电粒子做匀变速运动 2 重点掌握初速度与场强方向垂直的带电粒子在电场中的运动 类平抛运动 3 知道示波管的主要构造和工作原理 例题2 一个电子以初速V0 3 0 106m s沿着垂直于场强方向射入两带电平行金属板 金属板长L 6 0 10 2m 两板之间可以看成是匀强电场 场强大小为E 2 103N C 电子的电量e 1 6 10 19C 质量m 9 1 10 31kg 求 1 电子射离电场时的速度 2 出射点与入射点沿场强方向的侧移距离 解析 法一 电子射入电场以后 受恒定的电场力作用 由于V0 F电 电子做类平抛运动 将电子的运动看成是沿X轴方向 速度为V0的匀速直线运动和沿电场力y方向 初速度为零的匀加速直线运动的合成 如图所示 从电子射入电场到飞出电场 两个方向的位移和加速度为 电子飞离电场时的速度为 arctg2 33 法二 由F eE ma求出a 由L V0t求出t 总结 本题为典型的带电粒子在电场中的偏转问题 一般的处理方法是应用运动合成的方法 它是运动学知识在电场中的运用 运用动能定理解题 可以简化解题过程 求出Vt 7 62 106 m s 5 如图所示 相距为d的两块平行板M N与电源相连 电键k闭合后 M N间有匀强电场 一带电粒子垂直于电场方向从M板边缘射入电场 恰好打在N板的中央 不计重力 打开电键 粒子仍以原来速度由原位置射入 为了使粒子能刚好飞出电场而不碰到N板 N板应如何移动 移动多少距离 3 质量为m 5 10 5kg的带电粒子以v0 2m s的速度从水平放置的平行金属板A B的中央飞入板间 如图所示 已知板长l 10cm 板间距离d 2cm 当UAB 103v时 带电粒子恰好沿中央直线穿过板间 则AB间所加电压在什么范围内带电粒子能从板间飞出 4 如图 A B为两块足够大的平行金属板 间距为d 接在电压为U的电源上 在A板的中央点放置一个电子放射源 可以向各个方向释放电子 设电子的质量为m 电量为e 射出的初速度为v 求电子打在板上的区域面积 不计电子的重力 例3 如图所示 一束带电粒子 不计重力 垂直电场线方向进入偏转电场 试讨论在以下情况中 粒子应具备什么条件 才能得到相同的偏转距离y和偏转角 U d L保持不变 1 进入偏转电场的速度相同 2 进入偏转电场的动能相同 3 进入偏转电场的动量相同 4 先由同一加速电场加速后 再进入偏转电场 带电粒子在电场力作用下做类平抛运动 根据 4 设加速电场的电压为U 由 可得 可见 在 4 的条件下 y 与m q无关 因此偏转距离y和偏转角 都是相同的 二 带电粒子在电场中的偏转 当带电粒子以初速度 V0垂直进入匀强电场时 1 受力及运动状态 仅受电场力且与V0垂直 故作类平抛运动 2 处理方法 类比平抛运动 3 基本公式 因为初速度为0 AB间为匀强电场 粒子在AB间做匀加速直线运动 练习 如图所示AB CD为平行金属板 A B两板间电势差为500V C D始终和电源相接 测的其间的场强为104V m 一质量为2 5 10 24 电荷量为8 10 16C的带电粒子 重力不计 由静止开始 经A B加速后穿过CD发生偏转 最后打在荧光屏上 已知C D极板长均为4cm 荧光屏距CD右端的距离为3cm 问 1 粒子带正电还是带负电 D A B S O C 分析 2 在竖直电场中因为有水平初速度 粒子做类平抛运动 3 出电场后 因为合外力为0粒子做匀速直线运动 1 粒子带正电 2 粒子打在荧光屏上距O点下方多远处 D A B S O C 解答 出AB电场时速度 水平方向 竖直方向 其中 由此得到 代入数据可得 3 粒子打在荧光屏上时的动能为多大 D A B S O C 由刚刚的推导知道 所以粒子打在荧光屏上动能 代入数据可得 带电粒子在各类电场中运动性质取决于 2 初始状态 再由运动的有关规律或动量 能量的有关规律来求解 小结 例3 如图 设质量为m 电量为q的带电粒子以初速度V0沿垂直于电场的方向进入长为L 间距为d 电势差为U的平行金属板间的匀强电场中 若不计粒子的重力 1 粒子穿越电场的时间t 粒子在垂直电场方向以V0做匀速直线运动 L V0t 2 粒子离开电场时的速度V 粒子沿电场方向做匀加速直线运动 加速度 粒子离开电场时平行电场方向的分速度 所以 L 得 例3 如图 设质量为m 电量为q的带电粒子以初速度V0沿垂直于电场的方向进入长为L 间距为d 电势差为U的平行金属板间的匀强电场中 若不计粒子的重力 L 3 粒子离开电场时的侧移距离y 4 粒子离开电场时的速度偏角 所以 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全