资源简介

带电粒子在电场中的运动
一、复习：匀变速直线运动和平抛运动
二、学习目标
会分析带电粒子在匀强电场中的加速问题
会分析带电粒子在匀强电场中的匀减速问题
会分析带电粒子在匀强电场中的偏转问题
三、学习重点、难点。
（重点）分析带电粒子在匀强电场中的加速问题
（难点）分析带电粒子在匀强电场中的偏转问题
四、完成目标
【聚焦目标一】自主学习
导入：这一节的知识与力学联系很紧，要结合应用力学和电学知识，带电粒子的加速是粒子做匀加速直线运动，带电粒子的偏转是粒子做类平抛运动，故在学习中是要掌握解题思路和方法，而不是记忆公式
任务一：复习用牛顿定律、运动学、功能关系分析物体运动的方法
1.用牛顿定律解决问题的“五步法”的具体步骤是什么？它解决了什么问题？
2.何为“动力学两类基本问题”？简单归纳解决“动力学两类基本问题”的基本思路和一般步骤。
3.动能定律的内容是什么？主要解决什么问题？简单归纳应用动能定律解决问题的一般步骤。
电场力的大小如何计算？电场力做功如何计算？
5.带电粒子在电场中运动时，哪些情况需要计算重力？哪些情况不需要考虑重力呢？
任务二：计算带电粒子在电场中运动时速度大小变化
请大家仔细阅读教材“带电粒子的加速”标题下 的内容，按要求计算分析以下问题：
1.在真空中有一对平行金属板，由于接到电池组上而带电，两板间的电势差为U。若一个质量为m、带正电荷q的粒子，在静电力的作用下由静止开始从正极板向负极板运动，计算它到达负极板时的速度。
方法一：功能关系法
方法二：牛顿定律法
2.如果带电粒子已初速度v0射入电场，射出时的速度是多少呢？
3.在很多电子设备中，都需要用到一种叫“电子枪”的装置，其原理如图所示。炽热的金属丝可以发射电子，在金属丝和金属板之间加以电压U=2500V，电子在真空中加速后，从金属板的小孔射出。则电子穿出时的速度有多大？（设电子刚离开金属丝的速度为0）
【聚焦目标二】核心素养培养
问题一：电场可以为带电粒子加速，但若粒子运动方向与它所受电场力方向相反，就可以让它减速。
如下图，某种金属板M受到紫外线照射后会不停的向外发射电子。现在M旁放置一个金属网N，并在M、N间佳一个电压U，若电子可以到达N，电流表中就会现实有电流通过。现发现当U>12.5V时电流表中就没有电流。试分析计算被这种紫外线照射出的电子，最大的速度是多少？
问题二：在高能物理研究中，经常需要获得速度极大地带电粒子。但根据以上分析可知：，要想提高粒子的速度，就得提高加速电压，但由于尖端放电、漏电、电晕放电等原因，两电极间的电压不能无限提高，最多可达几百万伏，粒子的最大速度有限制。为此科学家设计了各种粒子加速器。直线加速器就是其中一种。如图，就是直线加速器的原理图。
在高真空长隧道中有n个长度逐渐加大的共轴金属圆筒.各筒间隔地接在频率f、电压峰值为U的交变电源的两极间.筒间间隙较小.粒子从粒子源发出后经过加速，以速度v1进入第一个圆筒.此时第二个圆筒的电势比第一个圆筒的电势高U.若粒子质量为m，电荷量为q，为使粒子不断得到加速，试分析各筒的长度应满足什么条件？
【聚焦目标三】自主学习
计算带电粒子在电场中偏转
(
x
y
)如图所示，在真空中放置对金属板Y和Y'，把两板接到电源上，于是两板间出现了电场。现有一个带电粒子沿垂直电场方向射入电场。深入思考并讨论以下问题：
1.对粒子进行受力分析（不考虑重力），计算粒子的加速度，并初略画出粒子在电场中的运动轨迹。
对比平抛运动，粒子在电场中的运动可以分解为两个怎样的直线运动？写出带电粒子垂直射入匀强电场时的六个基本关系。
若已知带电粒子垂直射入匀强电场的速度为，两极板间的电势差为,长度为，间距为，带电粒子的电量为，质量为，计算：
①粒子在电场中运动的时间；
②射出电场时，粒子在垂直板面方向的偏移距离；
③离开电场时的偏转角（即射出时速度与射入时速度的夹角）。
五、检测目标
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，指出下列对电子运动的描述中哪句是错误的(设电源电压为U)(　　)
A．电子到达B板时的动能是Ue
B．电子从B板到达C板动能变化量为零
C．电子到达D板时动能是3Ue
D．电子在A板和D板之间做往复运动[
六、课堂小结：今天，你学到了什么？构建本课思维导图
七、课后反思：
●训练卡
基础过关练
1.如图所示,P、Q为两平行金属板,板间电压为U,在P板附近有一电子由静止开始向Q板运动,则下列关于电子到达Q板时的速率与哪些因素有关的解释中正确的是(　　)
A.两极板间的距离越大,加速的时间就越长,则电子获得的速率越大
B.两极板间的距离越小,加速的时间就越短,则电子获得的速率越小
C.两极板间的距离越小,加速度就越大,则电子获得的速率越大
D.与两板间的距离无关,仅与加速电压U有关
2.如图所示,两平行金属板相距为d,电势差为U,一电子质量为m,电荷量为e,从O点沿垂直于极板的方向射出,最远到达A点,然后返回,OA=h,此电子具有的初动能是(　　)
A.　　　B.edUh　　　
C.　　　D.
3.(多选)如图所示,带电荷量之比为qA∶qB=1∶3的带电粒子A、B,先后以相同的速度从同一点水平射入平行板电容器中,不计重力,带电粒子偏转后打在同一极板上,水平飞行距离之比xA∶xB=2∶1,则(　　)
A.粒子A、B的质量之比为mA∶mB=2∶1
B.粒子A、B的质量之比为mA∶mB=4∶3
C.粒子A、B在电场中飞行的时间之比为tA∶tB=2∶3
D.粒子A、B在电场中飞行的时间之比为tA∶tB=2∶1
4.如图所示,矩形区域ABCD内存在竖直向下的匀强电场,两个带正电的粒子a和b以相同的水平速度射入电场,粒子a由顶点A射入,从BC的中点P射出,粒子b由AB的中点O射入,从顶点C射出。若不计重力,则a和b的比荷之比是(　　)
A.1∶2　　　B.2∶1
C.1∶8　　　D.8∶1
5.如图所示,长为L=2 m的平行金属板水平放置,两极板带等量的异种电荷,板间形成竖直方向的匀强电场,一个质量为m=4×10-3 kg、电荷量为q=2×10-6 C的带负电的粒子,以初速度v0=4 m/s紧贴上极板垂直于电场线方向进入该电场,刚好从下极板边缘射出,射出时速度恰与入射方向成37°角,不计粒子重力,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8。求:
(1)粒子射出下极板边缘时的动能;
(2)匀强电场的场强E的大小和方向。
能力提升练
1.(多选)如图所示,带电平行金属板A、B,板间的电势差为U,板间距离为d,A板带正电,B板中央有一小孔。一带正电的微粒,电荷量为q,质量为m,自孔的正上方距板高h处自由下落,若微粒恰能落至A、B板的正中央c点,不计空气阻力,重力加速度为g,则(　　)
A.微粒在下落过程中动能逐渐增加,重力势能逐渐减小
B.微粒在下落过程中重力做功为mg,电场力做功为-qU
C.微粒落入电场中,电势能逐渐增大,其增加量为qU
D.若微粒从距B板高2h处自由下落,则恰好能到达A板
2.（多选）如图所示，水平放置的平行板电容器，上板带负电，下板带正电，断开电源后一带电小球以速度v0水平射入电场，且沿下板边缘飞出，若下板不动，将上板上移一小段距离，小球仍以相同的速度v0从原处飞入，则带电小球(　　)
A．将打在下板中央
B．仍沿原轨迹由下板边缘飞出
C．不发生偏转，沿直线运动
D．若上板不动，将下板上移一段距离，小球可能打在下板的中央
3.一带电量q=6.4×10-19C、质量m=1.6×10-25㎏的初速度为零的粒子，经电压U=200V的加速电场加速后，沿垂直于电场线方向进入E=1.0×103V/m均匀偏转电场。已知粒子在穿越偏转电场过程中沿场强方向的位移为5㎝，不计粒子所受重力，求偏转电场的宽度和粒子穿越偏转电场过程中偏角的正切。

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