江蘇省淮安市漣水中學高中物理 1.9 帶電粒子在電場中的運動課件 新人教版選修31.ppt

9 帶電粒子在電場中的運動 一 帶電粒子的加速1 受力分析 仍按力學中受力分析的方法分析 只是多了 個電場力而已 如果帶電粒子在勻強電場中 則電場力為恒力 qe 若在非勻強電場中 電場力為變力 2 運動狀態(tài)分析帶電粒子沿與電場線平行的方向進入勻強電場 受到的電場力與運動方向在同一直線上 做勻加 減 速直線運動 4 用牛頓運動定律和運動學公式分析帶電粒子平行于電場線進入勻強電場 則帶電粒子做勻變速直線運動 可由電場力求該加速度進而求出速度 位移或時間 二 帶電粒子的偏轉(zhuǎn)1 受力分析 帶電粒子以初速度v0垂直射入勻強電場中受恒定電場力作用 f qe 且方向與v0垂直 2 運動狀態(tài)分析帶電粒子以初速度v0垂直于電場線方向射入兩帶電平行板產(chǎn)生的勻強電場中 受到恒定的與初速度方向成90 角的電場力作用而做運動 軌跡為拋物線 勻變速曲線 3 偏轉(zhuǎn)運動的分析處理方法 用類似平拋運動的分析方法 即應用運動的合成和分解知識分析處理 一般分解為 1 沿初速度方向以v0做勻速直線運動 2 沿電場力方向做初速度為零的勻加速直線運動 如下圖所示 沿初速度方向為運動 由x l v0t 可以確定時間 勻速直線 三 示波管原理1 構(gòu)造示波管是示波器的核心部件 外部是一個抽成真空的玻璃殼 內(nèi)部主要由 發(fā)射電子的燈絲 加速電極組成 由一對x偏轉(zhuǎn)電極板和一對y偏轉(zhuǎn)電極板組成 和組成 如下圖所示 電子槍 偏轉(zhuǎn)電極 熒光屏 2 原理 1 掃描電壓 xx 偏轉(zhuǎn)電極接入的由儀器自身產(chǎn)生的鋸齒形電壓 2 燈絲被電源加熱后 出現(xiàn)熱電子發(fā)射 發(fā)射出來的電子經(jīng)加速電場加速后 以很大的速度進入偏轉(zhuǎn)電場 如在y偏轉(zhuǎn)板上加一個 在x偏轉(zhuǎn)板上加一 在熒光屏上就會出現(xiàn)按y 正弦電壓 掃描電壓 偏轉(zhuǎn)電壓規(guī)律變化的可視圖象 1 帶電粒子的加速 或減速 運動的處理方法可以從動力學和功能關(guān)系兩個角度進行分析 其比較如下 特別提醒 1 對帶電粒子進行受力分析 運動特點分析 力做功情況分析是選擇解題規(guī)律的關(guān)鍵 2 選擇解題的方法是優(yōu)先從功能關(guān)系角度考慮 應用功能關(guān)系列式簡單 方便 不易出錯 解析 答案 d 如圖所示 粒子射出電場時速度的反向延長線與初速度方向的延長線相交于o點 o點與電場邊緣的距離為x 如下圖所示 在xoy平面上第 象限內(nèi)有平行于y軸的有界勻強電場 方向如圖 y軸上一點p的坐標為 0 y0 有一電子以垂直于y軸的初速度v0從p點垂直射入電場中 當勻強電場的場強為e時 電子從a點射出 a點坐標為 xa 0 則a點速度va的反向延長線與速度v0的延長線交點坐標為 解析 如右圖所示 答案 c 3 不同的帶電粒子是從靜止經(jīng)過同一加速電場加速 然后再進入偏轉(zhuǎn)電場 其偏轉(zhuǎn)情況如何 如圖所示 離子發(fā)生器發(fā)射出一束質(zhì)量為m 電荷量為q的離子 從靜止經(jīng)加速電壓u1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(zhuǎn)電壓u2作用后 以速度v離開電場 已知平行板長為l 兩板間的距離為d 則 特別提醒 1 初速度為零的帶電粒子經(jīng)過一電場的加速和另一電場的偏轉(zhuǎn)后 帶電粒子在電場中沿電場線方向偏移的距離和帶電粒子的m q無關(guān) 只取決于加速電場和偏轉(zhuǎn)電場 且側(cè)移距離y是分析粒子能否飛出偏轉(zhuǎn)電場的關(guān)鍵條件 2 初速度為零的電性相同的不同帶電粒子經(jīng)過一電場的加速和另一電場的偏轉(zhuǎn)后 帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)角和帶電粒子的m q無關(guān) 只取決于加速電場和偏轉(zhuǎn)電場 即它們在電場中的偏轉(zhuǎn)角總相同 a 增大兩板間的電勢差u2b 盡可能使板長l短些c 盡可能使板間距離d小一些d 使加速電壓u1升高一些 解析 答案 c 1 帶電粒子在電場中運動時 什么情況下重力可以忽略 提示 1 當帶電粒子的重力遠小于靜電力時 粒子的重力就可以忽略 2 微觀帶電粒子 如電子 質(zhì)子 離子 粒子等除有說明或有明確暗示外 處理問題時均不計重力 而帶電的液滴 小球等除有說明或有明確暗示外 處理問題時均應考慮重力 2 帶電粒子在電場中偏轉(zhuǎn)有哪些規(guī)律提示 1 質(zhì)量分別為m1和m2 電荷量分別為q1和q2的帶電粒子經(jīng)過同一加速電場 同一偏轉(zhuǎn)電場后 偏轉(zhuǎn)量之比為1 1 2 質(zhì)量分別為m1和m2 電荷量分別為q1和q2的帶電粒子以同一速度經(jīng)過同一偏轉(zhuǎn)電場后 偏轉(zhuǎn)量之比為q1m2 q2m1 3 質(zhì)量分別為m1和m2 電荷量分別為q1和q2的帶電粒子以同一動能經(jīng)過同一偏轉(zhuǎn)電場后 偏轉(zhuǎn)量之比為q1 q2 4 帶電粒子從偏轉(zhuǎn)電場中射出時 末速度與初速度之間的夾角 偏向角 的正切值為tan 帶電粒子位移與初速度之間的夾角 的正切值為tan 二者的關(guān)系為tan 2tan 3 示波管工作時 當水平和豎直偏轉(zhuǎn)電極都加上電壓時 在熒光屏上將出現(xiàn)怎樣的圖象 提示 通常情況下 在豎直偏轉(zhuǎn)電極上加上要研究的信號電壓 在水平偏轉(zhuǎn)電極上加上掃描電壓 如果二者的周期相同 在熒光屏上就會顯示出信號電壓隨時間變化的波形圖 教材資料分析 思考與討論 上述問題中 兩塊金屬板是平行的 兩板間電場是勻強電場 如果兩極板是其他形狀 中間的電場不再均勻 上面的結(jié)果是否仍然適用 為什么 思考與討論 如果在電極xx 之間不加電壓 但在yy 之間加不變的電壓 使y的電勢比y 高 點撥 1 電子束受電場力的方向指向y板 電子打在熒光屏y軸的正半軸 上半軸 上的某點 電子束受電場力的方向指向x板 電子打在熒光屏x軸的正半軸 右半軸 上的某點 2 當電壓變化很快時 亮斑移動很快 由于視覺暫留和熒光屏物質(zhì)的殘光特性 亮斑的移動看起來就成為一條與y軸重合的亮線 3 看到的圖形是一條與y軸平行的亮線 若xx 之間的電壓是 x正 x 負 則亮線在 象限 若xx 之間的電壓是 x負 x 正 則亮線在 象限 4 作圖如圖所示 答案 bd 反思總結(jié) 該電場為非勻強電場 帶電粒子在ab間的運動為變加速運動 不可能通過求加速度的途徑解出該題 但注意到電場力做功w qu這一關(guān)系對勻強電場和非勻強電場都適用 因此從能量的觀點入手 用動能定理來求解該題是非常簡單的 跟蹤發(fā)散 1 1 在勻強電場中 同一條電場線上有a b兩點 有兩個帶電粒子先后由靜止從a點出發(fā)并通過b點 若兩粒子的質(zhì)量之比為2 1 電荷量之比為4 1 忽略它們所受的重力 則它們由a點運動到b點所用時間的比值為 答案 a 如下圖所示 一束電子從靜止開始經(jīng)加速電壓u1加速后 以水平速度射入水平放置的兩平行金屬板中間 金屬板長為l 兩板距離為d 豎直放置的熒光屏距金屬板右端為l 若在兩金屬板間加直流電壓u2時 光點偏離中線 打在熒光屏上的p點 求op為多少 反思總結(jié) 1 方法1的求解流程為 確定加速后的速度v0 確定偏移y 確定偏角 確定op 需充分利用類平拋運動的位移關(guān)系 速度關(guān)系和幾何關(guān)系 2 方法2的求解流程為 確定加速后的速度v0 確定偏移y 確定op 只需利用位移關(guān)系和幾何關(guān)系即可 相對而言較簡捷 跟蹤發(fā)散 2 1 如下圖所示 m n是豎直放置的兩平行金屬板 分別帶等量異種電荷 兩極間產(chǎn)生一個水平向右的勻強電場 場強為e 一質(zhì)量為m 電荷量為 q的微粒 以初速度v0豎直向上從兩極正中間的a點射入勻強電場中 微粒垂直打到n極上的c點 已知ab bc 不計空氣阻力 則可知 a 微粒在電場中作拋物線運動b 微粒打到c點時的速率與射入電場時的速率相等c mn板間的電勢差為2mv02 qd mn板間的電勢差為ev02 2g 答案 b 1 如右圖所示 在a板附近有一電子由靜止開始向b板運動 則關(guān)于電子到達b板時的速率 下列解釋正確的是 a 兩板間距越大 加速的時間就越長 則獲得的速率越大b 兩板間距越小 加速的時間就越長 則獲得的速度越大c 獲得的速率大小與兩板間的距離無關(guān) 僅與加速電壓u有關(guān)d 兩板間距離越小 加速的時間越短 則獲得的速率越小 答案 c 2 如右圖所示 豎直放置的一對平行金屬板間的電勢差為u1 水平放置的一對平行金屬板間的電勢差為u2 一電子由靜止開始經(jīng)u1加速后 進入水平放置的金屬板間 剛好從下板邊緣射出 不計電子重力 下列說法正確的是 a 增大u1 電子一定打在金屬板上b 減小u1 電子一定打在金屬板上c 減小u2 電子一定能從水平金屬板間射出d 增大u2 電子一定能從水平金屬板間射出 答案 bc 3 在空間中水平面mn的下方存在豎直向下的勻強電場 質(zhì)量為m的帶電小球由mn上方的a點以一定初速度水平拋出 從b點進入電場 到達c點時速度方向恰好水平 a b c三點在同一直線上 且ab 2bc 如圖所示 由此可見 a 電場力為3mgb 小球帶正電c 小球從a到b與從b到c的運動時間相等d 小球從a到b與從b到c的速度變化量相等 答案 ad 4 如右圖所示 在點電荷 q的電場中有a b兩點 將質(zhì)子和 粒子分別從a點由靜止釋放到達b點時 它們的速度大小之比為多少 5 如右圖所示 長l