资源简介

(共48张PPT)
5. 带电粒子在电场中的运动
电子被加速器加速后轰击重金属靶时，会产生射线，可用于放射治疗。图中展示了一台医用电子直线加速器。电子在加速器中是受到什么力的作用
而加速的呢？
问题导入：
能分析带电粒子在电场中的运动情况，能解释相关的物理现象。
1.会用动力学和能量的观点分析带电粒子在电场中的加速运动。
2.掌握初速度与场强方向垂直的带电粒子在电场 中的偏转问题。
3.了解示波管的主要构造和工作原理。
体会课堂探究的乐趣，
汲取新知识的营养，
让我们一起 吧！
进
走
课
堂
U
+q m
+
__
ｖ=
F
【探究一：带电粒子的加速运动】
【探究情景】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。
试计算粒子到达负极板时的速度？
方法一：动力学观点：
主要利用牛顿运动定律和匀变速直线运动的规律
q
U
m
+
_
带电粒子的加速
d
①
②
由①②得
③
方法二：能量观点 ——利用动能定理
①
②
由①得：
【规律总结】对比两种方法
1.利用牛顿第二定律和匀变速直线运动规律，仅适用于匀强电场中，物体做匀变速直线运动，即物体必须沿着电场线进入匀强电场。
2.利用动能定理，不仅适用于匀强电场，也适用于非匀强电场，因为公式W=qU适用于任何电场。
若两极板间不是匀强电场，该用何种方法求解？为什么？
思考
若粒子的初速度为零,则:
若粒子的初速度不为零,则:
多级加速
问题：如图多级平行板连接，能否加速离子？
U
＋
＋
＋
－
－
－
A
B
C
D
E
F
多级直线加速器示意图
U
0
u0
-u0
t
T
2T
U
~
＋
－
例1.如图 甲，某装置由多个横截面积相同的金属圆筒依次排列，其中心轴线在同一直线上，圆筒的长度依照一定的规律依次增加。序号为奇数的圆筒和交变电源的一个极相连，序号为偶数的圆筒和该电源的另一个极相连。交变电源两极间电势差的变化规律如图 乙所示。在 t＝0 时，奇数圆筒相对偶数圆筒的电势差为正值，此时位于和偶数圆筒相连的金属圆板（序号为0）中央的一个电子，在圆板和圆筒 1 之间的电场中由静止开始加速，沿中心轴线冲进圆筒 1.为使电子运动到圆筒与圆筒之间各个间隙中都能恰好使静电力的方向跟运动方向相同而不断加速，圆筒长度的设计必须遵照一定的规律。若已知电子的质量为m电子电荷量为 e电压的绝对值为 u周期为 T，电子通过圆筒间隙的时间可以忽略不计。则金属圆筒的长度和它的序号之间有什么定量关系？第n 个金属圆筒的长度应该是多少？
【解析】电子从金属丝到金属
板，由动能定理得：
①
由①得
例2. 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，发射出的电子在真空中加速后，从金属板的小孔穿出。电子穿出时的速度有多大？设电子刚刚离开金属丝时的速度为0。
答案：
例3.如图所示的电场中有A、B两点，A、B的电势差UAB＝100V，一个质量为m=2.0×10-12kg、电量为q=-5.0×10-8C的带电粒子，以初速度v0 =3.0×103m/s由A点运动到B点，求粒子到达B点时的速率。（不计粒子重力）
A
-
v0
B
q为负
m
+q
+
_
v0
你能画出带电微粒的运动轨迹吗？
【探究二：带电粒子的偏转规律】
问题：
带电粒子的偏转：（不计重力）
+ + + + + + + + +
- - - - - - - - -
v0
+
q.m
d
l
F
+
1.运动状态分析：
带电粒子以速度v0垂直于电场线方向飞入两带电平行板产生的匀强电场时，若只受电场力作用，则带电粒子做匀变速曲线运动。
2.偏转问题的分析处理方法：（类似平抛运动分析方法）
（1）沿初速度方向是速度为v0的匀速直线运动；
（2）沿电场力方向是初速度为零的匀加速直线运动。
类平抛运动
与粒子比荷 成正比
与粒子初速度v0的平方成反比
与电场的属性U、l、d有关
与粒子比荷 成正比
与粒子初速度v0 的平方成反比
与电场的属性U、l、d有关
例4.如图所示,相距为d长度为l的平行板AB加上电压后,可在A、B之间的空间中产生电场,在A、B左端距AB 等距离处的O点,有一电量为+q质量为m的粒子以初速度v0沿水平方向(与A、B板平行)射入。不计重力,要使此粒子能从C处射出,则A、B间的电压应为( )
A. B.
C. D.
vo
+ + + + + + + +
- - - - - - - -
d
A
B
O
C
A
U1
+
_
电场中加速
电场中偏转
+
_
U2
【探究三：带电粒子先加速再偏转的运动规律】
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+
_
U1
U2
v
-q
m
L
v0
加速
偏转
电荷经加速电场加速后进入偏转电场
通过加速电场的末速度为进入偏转电场的初速度
例5.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,测得其间的场强为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
答案：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
L
O
C
解析:
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
0
(3)粒子打在荧光屏上时的动能为多大
- - - -
+ + + +
D
A
B
s
L
O
C
解析：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
注意：某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗示或运动状态来判定
电场中的带电粒子一般可分为两类：
1.带电的基本粒子：如电子，质子，α粒子，正负离子等。这些粒子所受重力和电场力相比小得多，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。（但并不能忽略质量）
2.带电微粒：如带电小球、液滴、尘埃等。除非有说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。
【归纳总结】
带电粒子在匀强电场中运动状态：
匀变速直线运动—加速、减速
匀变速曲线运动—偏转
平衡（F合=0）
匀变速运动
（F合≠0）
静止
匀速直线运动
【探究四：示波管的工作原理】
示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。示波器的核心部件是示波管。
在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。
Y
Y’
X
X’
-
+
-
-
+
-
若金属平行板水平放置,电子将在竖直方向发生偏转
若金属平行板竖直放置,电子将在水平方向发生偏转
偏转电极的不同放置方式
思考与讨论1：如果在电极 XXˊ 之间不加电压，而在 YYˊ 之间也不加电压，电子将打在荧光屏的什么位置？
-
+
Xˊ
Xˊ
X
X
Y
Yˊ
Yˊ
Y
电子枪
偏转电极
荧光屏
思考与讨论2：如果在电极 XXˊ 之间不加电压，而在 YYˊ 之间加不变电压，使Y 的电势比 Yˊ 高，电子将打在荧光屏的什么位置？
-
+
Xˊ
Xˊ
X
X
Y
Yˊ
Yˊ
Y
电子枪
偏转电极
荧光屏
思考与讨论3：如果在电极 XXˊ 之间不加电压，而在 YYˊ 之间加不变电压，使 Y ˊ 的电势比Y 高，电子将打在荧光屏的什么位置？
-
+
Xˊ
Xˊ
X
X
Y
Yˊ
Yˊ
Y
电子枪
偏转电极
荧光屏
思考与讨论4：如果在 XXˊ 之间不加电压，而在 YYˊ 之间加按图示的规律变化的电压，在荧光屏会看到的什么样的图形？
Xˊ
X
Y
Yˊ
UY
t
O
Yˊ 随信号电压同步变化，但由于视觉暂留和荧光物质的残光特性，只能看到一条竖直的亮线。
-
+
Xˊ
Xˊ
X
X
Y
Yˊ
Yˊ
Y
电子枪
偏转电极
荧光屏
思考与讨论5：如果在电极 YYˊ 之间不加电压，而在 XXˊ 之间加不变电压，使 X 的电势比 Xˊ 高，电子将打在荧光屏的什么位置？
-
+
Xˊ
Xˊ
X
X
Y
Yˊ
Yˊ
Y
电子枪
偏转电极
荧光屏
思考与讨论6：如果在电极 YYˊ 之间不加电压，而在 XXˊ 之间加不变电压，使 X ˊ 的电势比 X 高，电子将打在荧光屏的什么位置？
UX
t
扫描电压
总结：若 XXˊ 所加的电压为特定的周期性变化电压，则亮斑在水平方向来回运动一一扫描，如果扫描电压变化很快，亮斑看起来为一条水平的亮线。
示波器图象
O
Xˊ
X
Y
Yˊ
思考与讨论6：如果在 YYˊ 之间加如图所示的交变电压，同时在 XXˊ 之间加锯齿形扫描电压，在荧光屏上会看到什么图形？
A
B
C
D
F
A
B
C
t1
D
E
F
t2
Xˊ
X
Y
Yˊ
t
O
UY
UX
O
t
A
B
C
D
E
E
F
t2
t1
t2
t1
如果信号电压是周期性的，并且扫描电压与信号电压的周期相同，就可以在荧光屏上得到待测信号在一个周期内随时间变化的稳定图象。
示波器图象
t
O
UY
UX
O
t
Xˊ
X
Y
Yˊ
示波管的原理
带电粒子处于电场中
加速
偏转
1.偏转距离：
2.偏转角度：
应用
带电粒子在交变电场中运动
粒子做单向直线运动
粒子做往返运动
粒子做偏转运动
示波器
1.一电子（电荷量大小为e，质量为m）由静止释放，经U1的加速电压加速后，沿平行于板面方向进入匀强电场。如图所示，两板相距为d，板长为l，极板间的电压为U2。电子射出偏转电场时速度偏转角为θ，偏移的距离为y。则下列选项正确的是（　　）
A．偏转电场中电场线竖直向上
B．加速电场中左极板电势较低
C． D．
BC
2.如图所示，M、N是在真空中竖直放置的两块平行金属板，质量为m、电量为+q的带电粒子，以极小的初速度由小孔进入电场，当M、N间电压为U时，粒子到达N板的速度为v，如果要使这个带电粒子到达N板的速度为2v ，则下述方法能满足要求的是（ ）
A.使M、N间电压增加为2U
B.使M、N间电压增加为4U
C.使M、N间电压不变，距离减半
D.使M、N间电压不变，距离加倍
M
N
U
d
+
B
3.（2025·重庆高考）某兴趣小组用人工智能模拟带电粒子在电场中的运动，如图所示的矩形区域OMPQ内分布有平行于OQ的匀强电场，N为QP的中点。模拟动画显示，带电粒子a、b分别从Q点和O点垂直于OQ同时进入电场，沿图中所示轨迹同时到达M、N点，K为轨迹交点。忽略粒子所受重力和粒子间的相互作用，则可推断a、b（　　）
A．具有不同比荷
B．电势能均随时间逐渐增大
C．到达M、N的速度大小相等
D．到达K所用时间之比为1:2
D
4.(多选)(2022·全国甲卷)地面上方某区域存在方向水平向右的匀强电场,将一带正电荷的小球自电场中P点水平向左射出。小球所受的重力和电场力的大小相等,重力势能和电势能的零点均取在P点。则射出后(　　)
A.小球的动能最小时,其电势能最大
B.小球的动能等于初始动能时,其电势能最大
C.小球速度的水平分量和竖直分量大小相等时,其动能最大
D.从射出时刻到小球速度的水平分量为零时,重力做的功等于小球电势能的增加量
BD
5.（2023·全国新课标卷）密立根油滴实验的示意图如图所示。两水平金属平板上下放置，间距固定，可从上板中央的小孔向两板间喷入大小不同、带电量不同、密度相同的小油滴。两板间不加电压时，油滴a、b在重力和空气阻力的作用下竖直向下匀速运动，速率分别为v0、 ；两板间加上电压后（上板为正极），这两个油滴很快达到相同的速率 ，均竖直向下匀速运动。油滴可视为球形，所受空气阻力大小与油滴半径、运动速率成正比，比例系数视为常数。不计空气浮力和油滴间的相互作用。
（1）求油滴a和油滴b的质量之比；
（2）判断油滴a和油滴b所带电荷的正负，并求a、b所带电荷量的绝对值之比。
【答案】（1）8:1；（2）油滴a带负电，油滴b带正电；4:1
黎明的曙光对暗夜是彻底的决裂，对彩霞是伟大的奠基。
停止前进的脚步，江河就会沦为一潭死水。
名言警句

展开更多......

收起↑