2020高二物理19帶電粒子在電場中的運(yùn)動5新人教版選修3-1ppt課件

1、第九節(jié)第九節(jié) 帶電粒子在電場中的運(yùn)動帶電粒子在電場中的運(yùn)動課標(biāo)解讀1.掌握帶電粒子在電場中加速和偏轉(zhuǎn)所遵照的規(guī)律2.知道示波器的主要構(gòu)造和任務(wù)原理3.學(xué)習(xí)運(yùn)用靜電力做功,電勢 電勢差,等勢面等概念研討帶電粒子在電場中運(yùn)動時的能量轉(zhuǎn)化課前自主學(xué)習(xí)一 帶電粒子在電場中的加速1.常見帶電粒子及受力特點(diǎn)電子 質(zhì)子 粒子,離子等帶電粒子在電場中遭到靜電力遠(yuǎn)大于重力,通常情況下,重力可以忽略2.加速(1)帶電粒子以與電場線平行的初速度v0進(jìn)入勻強(qiáng)電場 帶電粒子做直線運(yùn)動,那么(2)帶電粒子的初速度為零,經(jīng)過電勢差為U的電場加速后,2201122qUmvmv212,2qUqUmvvm二 帶電粒子的偏轉(zhuǎn)1.進(jìn)

2、入電場的方式:以初速度v0垂直于電場方向進(jìn)入勻強(qiáng)電場2.受力特點(diǎn):電場力大小不變,且方向與初速度方向垂直3.運(yùn)動特點(diǎn):做勻變速曲線運(yùn)動,與力學(xué)中平拋運(yùn)動類似,故稱做類平拋運(yùn)動.4.運(yùn)動規(guī)律(1)垂直電場方向,速度vx=v0,位移x=v0t(2)平行電場方向:速度vy= 位移(3)偏轉(zhuǎn)角度tan=0,qUlmv d2202ql Uymv d200yvqUlvmdv三 示波器的原理示波器的中心部件是示波管,示波管是真空管,主要由三部分組成,這三部分分別是電子槍 偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏.示波器的根本原理是利用電子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn).知識梳理圖課堂互動探求一 帶電粒子的加速帶電粒子在電場中遭到電場力作用,

3、能否思索粒子遭到重力作用,要根據(jù)詳細(xì)情況而定,普通說來,根本粒子,如:電子 質(zhì)子 粒子 離子等除有闡明或有明確暗示以外,普通不思索重力(但質(zhì)量不能忽略);帶電粒子:如液滴 油滴 塵埃 小球等除闡明或明確暗示外,普通不能忽略重力.1.運(yùn)動形狀分析:帶電粒子沿電場線平行的方向進(jìn)入勻強(qiáng)電場,遭到的電場力與運(yùn)動方向在同不斷線上,做勻變速直線運(yùn)動.2.用功能觀念分析:粒子動能的變化量等于電場力做的功,假設(shè)粒子的初速度為零,那么:qU= mv2假設(shè)粒子初速度不為零,那么:122201122qUmvmv二 帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的偏轉(zhuǎn)1.運(yùn)動形狀分析:帶電粒子以速度v0垂直于電場線方向飛入勻強(qiáng)電場時,遭到恒定

4、的與初速度方向成90角的電場力作用而做勻變速曲線運(yùn)動.2.偏轉(zhuǎn)問題的分析處置方法類似于平拋運(yùn)動的分析處置,運(yùn)用運(yùn)動的合成和分解的方法:沿初速度方向為勻速直線運(yùn)動,運(yùn)動時間:0.ltv沿電場力方向為初速度為零的勻加速度直線運(yùn)動:分開電場時的偏移量:分開電場時的偏轉(zhuǎn)角:tan=.FqEqUammmd22201.22ql Uyatmv d200.vqlUvmv d3.推論:粒子從偏轉(zhuǎn)電場中射出時,其速度反向延伸線與初速度方向交于一點(diǎn),此點(diǎn)平分沿初速度方向的位移.在以下圖中,設(shè)帶電粒子質(zhì)量為m 帶電量為q,以速度v0垂直于電場線射入勻強(qiáng)偏轉(zhuǎn)電場,偏轉(zhuǎn)電壓為U1.假設(shè)粒子飛出電場時偏角為,那么tan=

5、式中vy=at= vx=v0,代入得tan=.yxvv10,qULdm v120.qU lmv d粒子從偏轉(zhuǎn)電場中射出時偏移量做粒子速度的反向延伸線,設(shè)交于O點(diǎn),O點(diǎn)與電場邊緣的間隔為x,那么由此O點(diǎn)平分了沿初速方向的位移式可知,粒子從偏轉(zhuǎn)電場中射出時,就好似是從極板間l/2處沿直線射出似的.221011() ,22qUlyatdmv21201202.2qU ldmvylxqU ltanmv d闡明:此推論在解題時可直接運(yùn)用.4.帶電粒子先經(jīng)加速電場(電壓U加)加速,又進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電壓(電壓U偏),射出偏轉(zhuǎn)電壓時側(cè)移由以上分析可知:不同的帶電粒子(電性一樣),假設(shè)經(jīng)同一電場加速后,又進(jìn)入同一偏轉(zhuǎn)電

6、場,那么它們的運(yùn)動軌跡必然重合.2222201.2244.2qU lqU lU lyatdmvdqUdUU ltanU d偏偏偏加加偏加偏角三 示波管的原理如以下圖所示為示波管的原理圖.留意:管的內(nèi)部抽成真空.對示波管的分析有以下兩種情形1.偏轉(zhuǎn)電極不加電壓:從電子槍射出的電子將沿直線運(yùn)動,射到熒光屏的中心點(diǎn)構(gòu)成一個亮斑.2.僅在XX(或YY)加電壓:(1)假設(shè)所加電壓穩(wěn)定,那么電子流被加速 偏轉(zhuǎn)后射到XX或(YY)所在直線上某一點(diǎn),構(gòu)成一個亮斑(不在中心),如以下圖所示.在上圖中,設(shè)加速電壓為U,偏轉(zhuǎn)電壓為U,電子電量為e,電子質(zhì)量為m,由W=Ek得eU= mv20.在電場中側(cè)移 其中d為兩

7、板的間距.程度方向t= .又tan= 122211.22eUyattdm0Lv200,yxvateU Lvvdmv2.2LLyLy由得熒光屏上的側(cè)移y= (L+ )=tan(L+ ).20eLUmv d2L2L(2)假設(shè)所加電壓按正弦函數(shù)規(guī)律變化,如U=Umsint,偏移也將按正弦規(guī)律變化,如x=xmsint或y=ymsint,那么亮斑在程度方向或豎直方向做簡諧運(yùn)動.闡明:當(dāng)電壓變化很快時,亮斑挪動很快,由于視覺暫留和熒光物質(zhì)的殘光特性,亮斑的挪動看起來就成為一條程度或豎直的亮線. 典例分析一 帶電粒子在電場中的加速例1:(2021天津高考)如下圖,帶等量異號電荷的兩平行金屬板在真空中程度放置

8、,M N為板間同一電場線上的兩點(diǎn),一帶電粒子(不計重力)以速度vm經(jīng)過M點(diǎn)在電場線上向下運(yùn)動,且未與下板接觸,一段時間后,粒子以速度vN折回N點(diǎn),那么( )A.粒子受電場力的方向一定由M指向NB.粒子在M點(diǎn)的速度一定比在N點(diǎn)大C.粒子在M點(diǎn)的勢能一定比在N點(diǎn)大D.電場中M點(diǎn)的電勢一定高于N點(diǎn)的電勢解析:根據(jù)題意可知帶電粒子遭到向上的電場力,故A選項錯誤;由M到N電場力做負(fù)功,粒子電勢能添加,C選項錯誤;根據(jù)動能定理:W= mvn2- mv2m.由題意知W0即vnvm,故B選正確;由于不知帶電粒子的電性,所以不能確定電場方向,也就不能確定M N的電勢高低,故D選項錯誤.1212答案答案:B名師點(diǎn)

9、撥:帶電粒子電場力作用時,電場力做功僅與粒子在電場中的位置有關(guān),即W=qU這一關(guān)系對勻強(qiáng)電場和非勻強(qiáng)電場都適用.因此必從能量角度入手,即運(yùn)用動能定理來處理此類問題較為方便.穩(wěn)定練習(xí)1.兩平行金屬板相距為d,電勢差為U,一電子質(zhì)量為m,電荷量為e,從O點(diǎn)沿垂直于極板的方向射出,最遠(yuǎn)到達(dá)A點(diǎn),然后前往,如下圖 此電子具有的初動能是( ) ,OAh.edhAB edUhUeUeUhCDdhd解析:從功能關(guān)系方面思索.電子從O點(diǎn)到A點(diǎn),因受電場力作用,速度逐漸減小.根據(jù)題意和圖示判別,電子僅受電場力,不計重力.這樣,我們可以用能量守恒定律來研討問題.即 mv20=eUOA.因E= ,UOA=Eh= ,

10、故 mv20=12UdUhd12.eUhd答案答案:D二 帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)例2:一束電子流在經(jīng)U=5 000 V的加速電壓加速后,在距兩極板等距處垂直進(jìn)入平行板間的勻強(qiáng)電場,如下圖,假設(shè)兩板間距d=1.0 cm,板長l=5.0 cm,那么,要使電子能從平行板間飛出,兩個極板上最多能加多大電壓?解析:粒子做類平拋運(yùn)動.在加速電壓一定時,偏轉(zhuǎn)電壓U越大,電子在極板間的偏距就越大.當(dāng)偏轉(zhuǎn)電壓大到使電子剛好擦著極板的邊緣飛出,此時的偏轉(zhuǎn)電壓,即為標(biāo)題要求的最大電壓.加速過程,由動能定理得:eU= mv20進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場,電子在平行于板面的方向上做勻速運(yùn)動:l=v0t12在垂直于板面的方向做勻加速直

11、線運(yùn)動,加速度:a= 偏距:y= at2能飛出的條件為:y FeUmdm122d解式得:U=4.0102 V要使電子能飛出,所加電壓最大為400 V.222222225000(1.0 10)(5.0 10)UdVl答案答案:400 V名師點(diǎn)撥:此題是典型的帶電粒子的加速和偏轉(zhuǎn)的綜合運(yùn)用題.處理此類問題要留意加速與偏轉(zhuǎn)的前后聯(lián)絡(luò),使關(guān)系式簡化.留意恰好飛出的臨界條件. 穩(wěn)定練習(xí)2.如下圖,靜止的電子在加速電壓為U1的電場的作用下從O經(jīng)P板的小孔射出,又垂直進(jìn)入平行金屬板間的電場,在偏轉(zhuǎn)電壓U2的作用下偏轉(zhuǎn)一段間隔.現(xiàn)使U1加倍,要想使電子的運(yùn)動軌跡不發(fā)生變化,應(yīng)該( )A.使U2加倍B.使U2變

12、為原來的4倍C.使U2變?yōu)樵瓉淼?倍D.使U2變?yōu)樵瓉淼?倍212解析:要使電子軌跡不變,那么應(yīng)使電子進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場后任一程度位移x所對應(yīng)的偏距y堅持不變.由 和qU1= mv20得y= 可見在x y一定時,U2U1.2222220011()222qUqU xxyatmdvmv d12221.4U xU d答案答案:A三 示波器的示波管例3:如以下圖所示為真空示波管的表示圖,電子從燈絲K發(fā)出(初速度不計),經(jīng)燈絲與A板間的加速電壓U1加速,從A板中心孔沿中心線KO射出,然后進(jìn)入由兩塊平行金屬板M N構(gòu)成的偏轉(zhuǎn)電場中(偏轉(zhuǎn)電場可視為勻強(qiáng)電場),電子進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場時的速度與電場方向垂直,電子經(jīng)過偏轉(zhuǎn)電

13、場后打在熒光屏上的P點(diǎn).知M N兩板間的電壓為U2,兩板間的間隔為d,板長為L1,板右端到熒光屏的間隔為L2,電子質(zhì)量為m,電荷量為e.求:(1)電子穿過A板時的速度大小;(2)電子從偏轉(zhuǎn)電場射出時的側(cè)移量;(3)P點(diǎn)到O點(diǎn)的間隔.解析:(1)設(shè)電子經(jīng)電壓U1加速后的速度為v0,根據(jù)動能定理得:eU1= 解得:201,2mv102.eUvm(2)電子以速度v0進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場后,垂直于電場方向做勻速直線運(yùn)動,沿電場方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動.設(shè)偏轉(zhuǎn)電場的電場強(qiáng)度為E,電子在偏轉(zhuǎn)電場中運(yùn)動的時間為t1,電子的加速度為a,分開偏轉(zhuǎn)電場時的側(cè)移量為y1,根據(jù)牛頓第二定律和運(yùn)動學(xué)公式得:解得:y1=

14、222111101,2UeULFeE EFma atyatdmdv2211.4U LU d(3)設(shè)電子分開偏轉(zhuǎn)電場時沿電場方向的速度為vy,根據(jù)運(yùn)動學(xué)公式得vy=at1電子分開偏轉(zhuǎn)電場后做勻速直線運(yùn)動,設(shè)電子分開偏轉(zhuǎn)電場后打在熒光屏上所用的時間為t2,電子打到熒光屏上的側(cè)移量為y2,如下圖. 22y221220212121211.t,yv t ,: yPO2(2yyy).4LvU L LdULL U LU d由解得到點(diǎn)的距離為 21212121112(2)(2)(3)44: 1eUU LLL U LmU dU d答案名師點(diǎn)撥:對于電子的加速過程,有電場力做正功, mv2,對其偏轉(zhuǎn)過程,分解成垂

15、直電場線和平行電場線兩個方向的分運(yùn)動進(jìn)展處置即可.12eU 穩(wěn)定根底1.以下粒子從靜止形狀經(jīng)過電壓為U的電場加速后速度最大的是( )A.質(zhì)子11H B.氘核21HC.粒子42He D.鈉離子Na+解析:由qU= mv2得v= 然后去比較各粒子的 可得A正確.答案:A122,qUmqm2.如右圖所示,兩板間距為d的平行板電容器與一電源銜接,開關(guān)S閉合,電容器兩板間有一質(zhì)量為m,帶電荷量為q的微粒靜止不動,以下說法中正確的選項是( )A.微粒帶的是正電B.電源電壓的大小等于C.斷開開關(guān)S,微粒將向下做加速運(yùn)動D.堅持開關(guān)S閉合,把電容器兩極板間隔增大,微粒將向下做加速運(yùn)動mgdq解析:由題意可知,

16、電場豎直向上,帶電微粒遭到重力 電場力作用途于平衡形狀,電場力豎直向上,微粒帶正電,A選項正確,大小為 由 可知 B選項正確;斷開開關(guān),微粒受力不變?nèi)蕴幱谄胶庑螤?故C選項錯誤;堅持開封鎖合,增大板間間隔,電場力減小,微粒向下加速運(yùn)動,D選項正確.答案答案:ABD,mgEq,UEd,mgdUq3.如下圖,兩極板與電源相銜接,電子從負(fù)極板邊緣垂直電場方向射入勻強(qiáng)電場,且恰好從正極板邊緣飛出,如今使電子入射速度變?yōu)樵瓉淼膬杀?而電子仍從原位置射入,且仍從正極板邊緣飛出,那么兩極板的間距應(yīng)變?yōu)樵瓉淼? )11.A.2.2B.44CD倍倍倍倍2202222220002:t,t,at,2dddC.11,

17、2222(2),2LvtdqULqULqULdmvmvmvd解析 電子經(jīng)過電場所用的時間當(dāng)入射速度變?yōu)樵瓉淼膬杀?則電子在電場中做類平拋運(yùn)動 側(cè)移量可得同理故選項正確答案答案:C4.如下圖,在真空中離子P1、P2以一樣速度從O點(diǎn)垂直場強(qiáng)方向射入勻強(qiáng)電場,經(jīng)電場偏轉(zhuǎn)后打在極板B上的C D兩點(diǎn).知P1電荷量為P2電荷量的3倍.GC=CD,那么P1、P2離子的質(zhì)量之比為( )A.3:4 B.4:3C.2:3 D.3:222222121122220011()222: yat,m,mqx ,m :mqx:qx3:4.qUxqUxmdvydv解析所以故答案答案:A5.如下圖,在A板附近有一電子由靜止開場向

18、B板運(yùn)動,那么關(guān)于電子到達(dá)B板時的速率,以下解釋正確的選項是( )A.兩板間距越大,加速的時間就越長,那么獲得的速率越大B.兩板間距越小,加速的時間就越長,那么獲得的速率越大C.獲得的速率大小與兩板間的間隔無關(guān),僅與加速電壓U有關(guān)D.兩板間間隔越小,加速的時間越短,那么獲得的速率越小解析:由動能定理可知qU= mv2,v2= ,故C選項正確.答案:C122qUm6.如右圖所示,在點(diǎn)電荷+Q的電場中有A B兩點(diǎn),將質(zhì)子和粒子分別從A點(diǎn)由靜止釋放到達(dá)B點(diǎn)時,它們的速度大小之比為多少?解析:質(zhì)子和粒子都是正離子,從A點(diǎn)釋放將受電場力作用加速運(yùn)動到B點(diǎn),設(shè)A B兩點(diǎn)間的電勢差為U,由動能定理有:對質(zhì)子

19、:qHU= mHv2H12212142.q2:1Um v1HHHq mvvq m對粒子所以21:答案提升才干7.一個帶正電的油滴從以下圖所示的勻強(qiáng)電場上方A點(diǎn)自在下落,油滴落入勻強(qiáng)電場后,能較準(zhǔn)確地描畫油滴運(yùn)動軌跡的是以下圖中的( )解析:油滴做自在落體運(yùn)動一段時間后進(jìn)入電場時,具有向下的速度,遭到重力和向右的電場力作用,做曲線運(yùn)動,此時軌跡的切線應(yīng)為速度的方向即豎直向下,而且向右彎曲,故B選項正確.答案:B8.帶電粒子以速度v0沿豎直方向垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場E中,如下圖,經(jīng)過一段時間后,其速度變?yōu)槌潭确较?大小為v0,那么一定有( )A.靜電力大小等于重力大小B.粒子運(yùn)動的程度位移大小等于豎直位

20、移大小C.靜電力所做的功一定等于重力所做的功D.電勢能的減少一定等于重力勢能的添加解析:由題意可知,程度方向與豎直方向加速度大小相等,均為 平均速度大小也相等,故程度位移和豎直位移大小相等,故A B選項正確;在運(yùn)動過程中,電場力做正功,重力做負(fù)功,故C選項錯誤;由能量守恒可知D選項正確.答案:ABD0,vat9.如下圖,用細(xì)絲線懸掛帶有正電荷的小球,質(zhì)量為m,處在程度向右的勻強(qiáng)電場中,在電場力作用下,小球由最低點(diǎn)開場運(yùn)動,經(jīng)b點(diǎn)后還可以向右擺動,如用E1表示重力勢能的增量,用E2表示電勢能的增量,用E表示二者和(E=E1+E2),那么在小球由a擺到b的過程中,以下關(guān)系式正確的選項是( )A.E

21、10,E20,E0,E20,E20,E0,E20,E0解析:小球由a到b的過程,位置升高,重力勢能添加E10,電場力做正功,電勢能減小.E20,動能 重力勢能 電勢能三種方式的能相互轉(zhuǎn)化,動能由零添加到某一值,所以重力勢能和電勢能的和必減少,故E0,C選項正確.答案:C10.如下圖,電子在電勢差為U1的加速電場中由靜止開場運(yùn)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,整個安裝處在真空中,重力可忽略,在滿足電子能射出平行板區(qū)的條件下,下述四種情況下,一定能使電子的偏移量y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2102220221:qUm12.v24qU lymv dU lyU d解析 由動能定理有 由運(yùn)動學(xué)有由得答案答案:B11.如以下圖所示,一個電子以4106 m/s的速度沿與電場垂直的方向從A點(diǎn)飛進(jìn)勻強(qiáng)電場,并且從另一端B點(diǎn)沿與場強(qiáng)方向成150角方向飛出,那么,A B兩點(diǎn)間的電勢差為多少伏?(電子的質(zhì)量為9.110-31 kg)解析:電子