物理：2.5《帶電粒子在電場中的運動》.ppt

J2459學生示波器,陰極射線管結構示意圖,2.5帶電粒子在電場中的運動,儀器名稱：示波器 型 號：COS5100,系統(tǒng)運行時，數(shù)以10億計的電子就將從這條加速管中以接近光速沖進儲存環(huán)中發(fā)生碰撞,北京正負電子對撞機加速器的起點,導入新課：,這節(jié)課我們來探究帶電粒子在電場中的運動。,實驗引入，激發(fā)興趣 （演示實驗）,1、接通示波管電源，演示帶電粒子在電 場中運動撞擊氣體而發(fā)出藍色輝光，調節(jié)加 速和偏轉電壓，軌跡發(fā)生改變，如圖所示。,2、接通示波器電源，演示熒光 屏上的正弦圖像，如圖所示。,新 課 教 學,教學三維目標：,一、知識與技能 1、了解帶電粒子在電場中的運動只受電場力，帶電粒子做勻變速運動。 2、重點掌握初速度與場強方向垂直的帶電粒子在電場中的運動(類平拋運動)。 3、知道示波管的主要構造和工作原理。,二、過程與方法 培養(yǎng)學生綜合運用力學和電學的知識分析解決帶電粒子在電場中的運動。,三、情感態(tài)度與價值觀 1、滲透物理學方法的教育：運用理想化方法，突出主要因素，忽略次要因素，不計 粒子重力。 2、培養(yǎng)學生綜合分析問題的能力，體會物理知識的實際應用。,1牛頓第二定律的表達式？,2動能定理的表達式？,3平拋運動的相關知識點。,4電場力做功的計算公式？,3、某些帶電體是否考慮重力，要根據(jù)題目暗示或運動狀態(tài)來判定,電場中的帶電粒子一般可分為兩類：,1、帶電的基本粒子：如電子，質子，粒子，正負離子等。這些粒子所受重力和電場力相比小得多，除非有說明或明確的暗示以外，一般都不考慮重力。（但并不能忽略質量）。,2、帶電微粒：如帶電小球、液滴、塵埃等。除非有說明或明確的暗示以外，一般都考慮重力。,帶電粒子在勻強電場中,運動情況：,受到恒定的電場力,受力情況：,做勻變速運動,一、帶電粒子的平衡,二、帶電粒子的加速,三、帶電粒子的偏轉,四、 加速和偏轉一體,五、 示波器,帶電粒子在電場中的運動,一、帶電粒子的平衡：,若帶電粒子在電場中所受合力為零時，即F0時，粒子將保持靜止狀態(tài) 或勻速直線運動狀態(tài)。,例 ：帶電粒子在電場中處于靜止狀態(tài)，該粒子帶正電還是負電?,分析：帶電粒子處于靜止狀態(tài)，F(xiàn)=0，Eq=mg，因為所受重力豎直向下，所 以所受電場力必為豎直向上。又因為場強方向豎直向下，所以（圖一）帶電粒子 帶負電，（圖二）帶電粒子帶正電。,二. 帶電粒子在電場中的加速,用牛頓運動定律分析,用動能定理分析,如圖所示，在真空中有一對平行金屬板，由于接上電池組而帶電，兩板間的電勢差為U。若一個質量為m，帶正電荷q的粒子，在靜電力作用下由正極板向負極板運動，計算它到達負極板時的速度。,1、受力分析:,水平向右的電場力 FEq=qU/d,2、運動分析:,初速度為零，加速度為a=qU/md的向右勻加速直線運動。,解法一 運用運動學知識求解,解法二 運用能量知識求解,粒子加速后的速度只與加速電壓有關,思考題,如兩極板間不是勻強電場該用何種方法求解？為什么？,由于電場力做功與場強是否勻強無關，與運動路徑也無關，第二種方法仍適用！,所以,例1,結論：由于電場力做功與場強是否勻強無關，與運動路徑也無關，所以在處理電場對帶電粒子的加速問題時，一般都是利用動能定理進行處理。,例2：如圖所示，在P板附近有一電子由靜止開始向Q板運動，則關于電子在兩板間的運動情況，下列敘述正確的是：( ),A.兩板間距越大，加速的時間越長 B.兩板間距離越小，加速度就越大，則電子到達Q板時的速度就越大 C.電子到達Q板時的速度與板間距離無關，僅與加速電壓有關 D.電子的加速度和末速度都與板間距離無關,AC,d,U,v0,q、m,三. 帶電粒子在電場中的偏轉,d,U,v0,q、m,F,v,v0,vy,y,偏轉角,側移,三. 帶電粒子在電場中的偏轉,試根據(jù)類平拋運動的知識，推導偏移量 y和偏轉角,帶電粒子在電場中的運動,三、帶電粒子的偏轉：（不計重力）,1、運動狀態(tài)分析：,帶電粒子以速度V0垂直于電 場線方向飛入兩帶電平行板產(chǎn)生 的勻強電場時，若只受電場力作 用，做勻變速曲線運動。,2、偏轉問題的分析處理方法： （類似平拋運動分析方法）,（1）沿初速度方向是速度為V0的勻速直線運動；,（2）沿電場力方向是初速度為零的勻加速直線運動。,類平拋運動,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,帶電粒子在電場中的運動,三、帶電粒子的偏轉：（側移距離）,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,類平拋運動,帶電粒子在電場中的運動,三、帶電粒子的偏轉：（偏轉角）,1.加速度:,2.飛行時間:,3.側移距離:,4.偏轉角:,5.出射速度:,帶電粒子的偏轉類平拋運動,結論：帶電粒子初速度垂直于電場方向飛入勻強電場的問題就是一個類平拋的問題。 粒子在與電場垂直的方向上做勻速直線運動 粒子在與電場平行的方向上做初速為零的勻加速運動,例3,解:電子進入偏轉電場后,在豎直方向做初速度為零的勻加速直線運動.,加速度,所以偏移距離,所以偏移角度,水平方向做勻速直線運動,四、 加速和偏轉一體,例4：離子發(fā)生器發(fā)射出一束質量為m，電荷量為q的負離子，從靜止 經(jīng)加速電壓U 1 加速后，獲得速度v0 ，并沿垂直于電場線方向射入兩平行板中央，受偏轉電壓U2作用后，以速度離開電場，已知平行板長為，兩板間距離為d，,1）離子在偏轉電場中運動 的時間、加速度、速度 的大??； 2）離子在離開偏轉電場時 的沿電場方向的偏移量和 偏轉角的正切值。,l,u1,d,v0,求：,例5： 一束電子流經(jīng) U=5000V 的電壓加速后，在距兩極板等間距處垂直進入平行板間的勻強電場中，若兩板間距 d=1.0cm，板長 l=5.0cm，那么，要使電子能從平行板間飛出，兩個板之間的電壓最多能加多少？,五、示波器的原理,1.示波器作用：是一種用來觀察電信號隨時間變化的電子儀器。 2.它的核心部件是示波管：由電子槍、偏轉電極和熒光屏組成，管內抽成真空。,產(chǎn)生高速飛行的電子束,待顯示的電壓信號,鋸齒形掃描電壓,使電子沿Y方向偏移,使電子沿x方向偏移,五、示波器的原理,課堂小結：,一、利用電場使帶電粒子加速,二、利用電場使帶電粒子偏轉,從動力學和運動學角度分析,從做功和能量的角度分析,類似平拋運動的分析方法,粒子在與電場垂直的方向上做 勻速直線運動,粒子在與電場平行的方向上做 初速度為零的勻加速運動,1、下列粒子由靜止經(jīng)加速電壓 為U的電場加速后， 哪種粒子動能最大 （ ） 哪種粒子速度最大 （ ） A、質子 B、電子 C、氘核 D、氦核,強化練習,與電量成正比,與比荷平方根成正比,D,B,e/m 1840e/m e/2m 2e/4m,2、如圖所示，M、N是在真空中豎直放置的兩塊平行金屬板，質量為m、電量為+q的質子，以極小的初速度由小孔進入電場，當M、N間電壓為U時，粒子到達N板的速度為v，如果要使這個帶電粒子到達N板的速度為2v ，則下述方法能滿足要求的是（ ） A、使M、N間電壓增加為2U B、使M、N間電壓增加為4U C、使M、N間電壓不變，距離減半 D、使M、N間電壓不變，距離加倍,M,N,U,d,v與電壓平方根成正比,B,強化練習,3、如圖所示的電場中有A、B兩點，A、B的電勢差UAB100V，一個質量為m=2.010-12kg、電量為q=-5.010-8C的帶電粒子，以初速度v0 =3.0103m/s由A點運動到B點，求粒子到達B點時的速率。（不計粒子重力）,q為負,強化練習,4、質量為m、帶電量為q的粒子以初速度v從中線垂直進入偏轉電場，剛好離開電場，它在離開電場后偏轉角正切為0.5，則下列說法中正確的是 A、如果偏轉電場的電壓為原來的一半，則粒子離開電場后的偏轉角正切為0.25 B、如果帶電粒子的比荷為原來的一半，則粒子離開電場后的偏轉角正切為0.25 C、如果帶電粒子的初速度為原來的2倍，則粒子離開電場后的偏轉角正切為0.25 D、如果帶電粒子的初動能為原來的2倍，則粒子離開電場后的偏轉角正切為0.25,強化練習,5、質子(質量為m、電量為e)和二價氦離子(質量為4m、電量為2e)以相同的初動能垂直射入同一偏轉電場中，離開電場后，它們的偏轉角正切之比為 ，側移之比為 。,與電量成正比,與電量成正比,2:1,2:1,強化練習,6、三個電子在同一地點沿同一直線垂直飛入偏轉電場，如圖所示。則由此可判斷（ ） A、 b和c同時飛離電場 B、在b飛離電場的瞬間，a剛好打在下極板上 C、進入電場時，c速度最大，a速度最小 D、c的動能增量最小， a和b的動能增量一樣大,強化練習,析與解,6、三個電子在同一地點沿同一直線垂直飛入偏轉電場，如圖所示。則由此可判斷（ ） A、 b和c同時飛離電場 B、在b飛離電場的瞬間，a剛好打在下極板上 C、進入電場時，c速度最大，a速度最小 D、c的動能增量最小， a和b的動能增量一樣大,強化練習,7、如圖，電子在電勢差為U1的加速電場中由靜止開始加速，然后射入電勢差為U2的兩塊平行極板間的電場中，入射方向跟極板平行。整個裝置處在真空中，重力可忽略。在滿足電子能射出平行板區(qū)的條件下，下述四種情況中，一定能使電子的偏轉角變大的是 （ ） A、U1變大、U2變大 B、U1變小、U2變大 C、U1變大、U2變小 D、U1變小、U2變小,強化練習,析與解,對加速過程由動能定理：,對偏轉過程由偏轉角正切公式：,與粒子的電量q、質量m無關,8、如圖所示，二價氦離子和質子的混合體，經(jīng)同一加速電場加速后，垂直射入同一偏轉電場中，偏轉后，打在同一熒光屏上，則它們（ ） A、側移相同 B、偏轉角相同 C、到達屏上同一點 D、到達屏上不同點,與粒子的電量q、質量m無關,強化練習,9、試證明：帶電粒子垂直進入偏轉電場，離開電場時就好象是從初速度所在直線的中點沿直線離開電場的。,x,強化練習,10、如圖所示，有一電子(電量為e、質量為m)經(jīng)電壓U0加速后，沿平行金屬板A、B中心線進入兩板，A、B板間距為d、長度為L， A、B板間電壓為U，屏CD足夠大，距離A、B板右邊緣2L，AB板的中心線過屏CD的中心且與屏CD垂直。試求電子束打在屏上的位置到屏中心間的距離。,強化練習,析與解,電子離開電場，就好象從中點沿直線離開的：,對加速過程由動能定理：,11、質量為110-25kg、電量為110-16C的帶電粒子以2106m/s速度從水平放置的平行金屬板A、B中央沿水平方向飛入板間，如圖所示。已知板長L10cm，間距d2cm，當AB間電壓在 范圍內時，此帶電粒子能從板間飛出。,v0,+ + + + +,- - - - -,強化練習,v0,+ + + + +,- - - - -,析與解,對偏轉過程由偏轉角正切公式：,或對偏轉過程由側移公式：,如圖所示，A、B為兩塊豎直放置的平行金屬板，G是靜電計，電鍵K合上后，靜電計指針張開一個角度。下述哪些做法可使指針張角增大？( ) A、使A、B兩板靠近些； B、使A、B兩板正對面積錯開些； C、斷開K后，使B板向右平移拉開一些； D、斷開K后，使A、B正對面錯開些。,CD,例1,例2,平行板電容器下板接地，兩板與電源相連，b為正中央的點，將不帶電的厚金屬板插入兩板正中間的如圖所示位置后，a、b、c三點場強及電勢變化情況為：( ) A、E= E 且均增大，E減為零； B、U U U ，且三點電勢均減??； C、E= E 且不變，E減為零； D、U U U ，且U減小， U 不變，U 增大。,AD,如圖所示，在平行板電容器正中有一個帶電微粒。K閉合時，該微粒恰好能保持靜止。在保持K閉合；充電后將K斷開；兩種情況下，各用什么方法能使該帶電微粒向上運動打到上極板？ A.上移上極板M B.上移下極板N C.左移上極板M D.把下極板N接地,答案：選B，選C。,例3,傳感器是把非電學里（如速度、溫度、壓力等）的變化轉換成電學里變化的一種測定液面高度的電容式傳感器的示意圖，金屬芯線與導電液體形成一個電容器，從電容C大小的變化就能反映液面的升降情況，兩者的關系是（ ） AC增大表示h增大 BC增大表示h減小 CC減小表示h減小 DC減小表示h增大,AC,例4,在點電荷Q的電場中有A、B兩點，將質子和粒子分別從A點由靜止釋放，已知質子和粒子的電性相同，帶電量之比為1:2，質量之比為1:4，則到達B點時，它們的速度大小之比為多少？,解：質子和粒子從A到B運動過程中，分別應用動能定理得,聯(lián)立兩式可解出它們到達B點時的速度大小之比為,例5：,練習一：,A板的電勢UA0，B板的電勢UB隨時間的變化規(guī)律如圖所示。則 ( ) A.若電子是在t0時刻進入的，它將一直向B板運動 B.若電子是在tT/8時刻進入的，它可能時而向B板運動，時而向A板運動,最后打在B板上 C.若電子是在t3T/8時刻進入的，它可能時而向B板運動，時而向A板運動,最后打在B板上 D.若電子是在tT/2時刻進入的，它可能時而向B板、時而向A板運動,AB,在平行金屬板A、B之間加如圖所示的交變電壓，其頻率為f，t=0時刻A板處有一個質量為m、電量為q的正離子從靜止開始向B板運動，重力忽略不計，求：為使離子到B板時的速度最大，A、B之間的距離d應滿足什么條件？,解：要使正離子到達B板的速度最大，需要正離子在電場中始終做加速運動，應滿足,因此AB之間的距離應滿足,練習 二：,例6,電子在電勢差為U1的加速電場中由靜止開始運動,然后射入電勢差為U2的兩塊平行極板間的電場中,入射方向跟極板平行.整個裝置處在真空中,重力可忽略