【物理】帶電粒子在電場中的運(yùn)動課件 2023-2024學(xué)年高二上學(xué)期物理人教版（2019）必修第三冊

10.5帶電粒子在電場中的運(yùn)動1、微觀粒子：如電子（e）、質(zhì)子（11H）、α粒子（42He）、正負(fù)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，但不能忽略質(zhì)量。2、帶電微粒：如帶電小球、液（油）滴、塵埃等。除非有說明或明確的暗示以外，一般都考慮重力。說明：某些帶電體是否考慮重力，要根據(jù)題目暗示或運(yùn)動狀態(tài)來判定帶電粒子的運(yùn)動帶電粒子的加速帶電粒子的偏轉(zhuǎn)直線運(yùn)動曲線運(yùn)動什么情況下帶電粒子在勻強(qiáng)電場中做直線運(yùn)動？什么情況下帶電粒子在勻強(qiáng)電場中做曲線運(yùn)動？初速度方向與電場力方向共線初速度方向與電場力方向不共線靜止受力平衡直線運(yùn)動教材P44帶電粒子在電場中的加速：在真空中有一對帶電平行金屬板，兩板間電勢差為U。若一個質(zhì)量為m、帶正電荷q的粒子，僅在靜電力的作用下由靜止開始從正極板向負(fù)極板運(yùn)動，計算它到達(dá)負(fù)極板時的速度。U+-E分析1：平行金屬板之間存在什么樣的電場？分析2：帶電粒子在該電場中做什么運(yùn)動？分析3：在勻加速直線運(yùn)動中如何求解末速度？分析1：平行金屬板之間存在勻強(qiáng)電場分析2：帶電粒子在該電場中做勻加速直線運(yùn)動分析3：利用勻變速直線運(yùn)動規(guī)律或動能定理求解F帶電粒子在電場中的加速:U+-EF所需條件：帶電粒子電荷量q帶電粒子質(zhì)量m（或帶電粒子的比荷）平行金屬板兩端電壓U解法1：勻變速直線運(yùn)動規(guī)律(動力學(xué)觀點(diǎn))在真空中有一對帶電平行金屬板，兩板間電勢差為U。若一個質(zhì)量為m、帶正電荷q的粒子，僅在靜電力的作用下由靜止開始從正極板向負(fù)極板運(yùn)動，計算它到達(dá)負(fù)極板時的速度。粒子加速后的速度只與加速電壓有關(guān)

U+-EF所需條件：帶電粒子電荷量q帶電粒子質(zhì)量m（或帶電粒子的比荷）平行金屬板兩端電壓U解法2：功能關(guān)系（能量學(xué)觀點(diǎn)）帶電粒子在電場中的加速:在真空中有一對帶電平行金屬板，兩板間電勢差為U。若一個質(zhì)量為m、帶正電荷q的粒子，僅在靜電力的作用下由靜止開始從正極板向負(fù)極板運(yùn)動，計算它到達(dá)負(fù)極板時的速度。初速度不為零呢？對比兩種方法：1.利用牛頓第二定律和勻變速直線運(yùn)動規(guī)律，僅適用于勻強(qiáng)電場中，物體做勻變速直線運(yùn)動，即物體必須沿著電場線進(jìn)入勻強(qiáng)電場。2.利用動能定理，適用于一切電場因為公式W=qU適用于任何電場。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(zhì)子B、電子

C、氘核D、氦核

與電量成正比與比荷平方根成正比DB小試牛刀2、如圖，M、N是在真空中豎直放置的兩塊平行金屬板，質(zhì)量為m、電量為+q的帶電粒子，以極小的初速度由小孔進(jìn)入電場，當(dāng)M、N間電壓為U時，粒子到達(dá)N板的速度為v，如果要使這個帶電粒子到達(dá)N板的速度變?yōu)?v

，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MNUd+B小試牛刀U＋＋＋－－－ABCDEF想一想如圖多級平行板連接，能否加速粒子？不能加速，怎么辦？多級直線加速器示意圖【例】如圖，在點(diǎn)電荷+Q的電場中有A、B兩點(diǎn)，將質(zhì)子和α粒子分別從A點(diǎn)釋放，到達(dá)B點(diǎn)時，求它們的速度大小之比？+AB解：質(zhì)子α粒子對質(zhì)子：U對α粒子：ld+-----------+++++++++Uv0q、mF+vv0vyyθ速度偏轉(zhuǎn)角（偏向角）偏移距離（側(cè)移距離或側(cè)移量）在真空中有一對帶電平行金屬板，板間電勢差為U。一質(zhì)量為m、帶正電荷q的粒子，沿平行于板面的方向（垂直于場強(qiáng)方向）以初速度v0射入電場，運(yùn)動軌跡如何？（不計重力）帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn):垂直電場方向：勻速直線運(yùn)動沿電場方向：勻加速直線運(yùn)動帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)：ld--------+++++++++Uv0q、m++vyθvv0y2.加速度:1.飛行時間:4.位移:5.角:3.速度：α1.若考慮帶電粒子的重力且重力方向與靜電力方向相同，軌跡還是拋物線嗎？為什么？是，因為重力與靜電力在同一個方向，F(xiàn)合=mg+Eq，F(xiàn)合恒定且與初速度垂直，粒子仍做類平拋運(yùn)動。2.若帶電粒子的重力方向與靜電力方向相反，當(dāng)粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場中時，可能做什么運(yùn)動？若mg=Eq，則粒子做勻速直線運(yùn)動，軌跡是直線；若mg≠Eq，則軌跡為拋物線。想一想帶電粒子垂直場強(qiáng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)電場，僅在電場力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在這一過程中帶電粒子的（）A．電勢能增加，動能減小B．電勢能減小，動能增加C．機(jī)械能保持不變D．電勢能的減小大于機(jī)械能的增加

B++++++------+_U1U2v-qmLv0加速偏轉(zhuǎn)加速電場的末速度為進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場的初速度α結(jié)論：不同帶電粒子由靜止經(jīng)同一電場加速，再垂直進(jìn)入同一偏轉(zhuǎn)電場，側(cè)移量y和偏轉(zhuǎn)角α都是相同的，與m、q無關(guān)。能否飛出偏轉(zhuǎn)電場？若粒子能從極板的右邊緣飛出偏轉(zhuǎn)電場，則末速度反向延長線交于水平位移的中點(diǎn),粒子好像從極板間L/2處沿直線射出一樣。牛頓第二定律（受力分析）動能定理平拋運(yùn)動電場相關(guān)知識知識基礎(chǔ)如圖，A、B兩板間電勢差為500V,C、D始終和電源相接,其間的場強(qiáng)為104V/m,一質(zhì)量為2.5×10-24㎏,電荷量為8×10-16C的帶電粒子(重力不計)由靜止開始,經(jīng)A、B加速后穿過CD發(fā)生偏轉(zhuǎn),最后打在熒光屏上P點(diǎn)處,已知C、D極板長s為4cm,熒光屏距CD右端的距離L為3cm,問:(1)粒子打在熒光屏上距O點(diǎn)下方多遠(yuǎn)處?(2)粒子打在熒光屏上時的動能為多大?P(1)粒子打在熒光屏上距O點(diǎn)下方多遠(yuǎn)處?----++++ABLXOP

v0vαvyv01、常規(guī)方法2、相似三角形(2)粒子打在熒光屏上時的動能為多大?----++++DABsLOC所以粒子打在熒光屏上時動能:示波器，可以用來觀察電信號隨時間變化的情況，示波器的核心部件是示波管。示波管：由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極、熒光屏組成，管內(nèi)真空。（1）電子槍：發(fā)射并加速電子。（2）偏轉(zhuǎn)電極：YY′使電子束豎直偏轉(zhuǎn)（信號電壓）；

XX′使電子束水平偏轉(zhuǎn)（掃描電壓）。（3）熒光屏：電子束打到熒光屏上能使該處的熒光物質(zhì)發(fā)光。加速電壓YY’XX’-+--+-若金屬平行板水平放置,電子將在豎直方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)若金屬平行板豎直放置,電子將在水平方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)電極的不同放置方式:根據(jù)電子在水平方向與豎直方向的偏轉(zhuǎn)可以確定電子打在熒光屏上的位置。等效“重力”法將重力與靜電力合成為“等效重力”，a合=

為“等效重力加速度”，F(xiàn)合的方向等效為“重力”的方向。做圓周運(yùn)動時常采用等效“重力”法，如圖乙，在“等效重力場”中做圓周運(yùn)動的帶電小球,能維持圓周運(yùn)動的條件是能過“最高點(diǎn)”,在“最高點(diǎn)”有F合=

。這里的“最高點(diǎn)”不一定是幾何最高點(diǎn)，而是“等效最高點(diǎn)”【例】如圖所示將一質(zhì)量為m、帶電荷量為+q（q>0）的小球放置于一半徑為R、固定在豎直平面中的光滑絕緣圓環(huán)軌道最低點(diǎn)，圓環(huán)處于水平向左的勻強(qiáng)電場中，電場強(qiáng)度大小

，給小球一水平向左的初速度，小球恰能在圓環(huán)內(nèi)做完整的圓周運(yùn)動，則小球的初速度大小為（）粒子做單向或往返的直線運(yùn)動例：帶正電的粒子靜止在M、N兩板正中位置,在t=0時刻加上圖乙的電場,①0~

時間內(nèi),粒子向右做勻加速運(yùn)動;

~

時間內(nèi)向右做勻減速運(yùn)動;

~

時間內(nèi)向左做勻加速運(yùn)動；

~T時間內(nèi)向左做勻減速運(yùn)動,運(yùn)動過程中加速度大小相等,T時刻粒子回到原位置。粒子做往復(fù)運(yùn)動。若在時刻加上電場,粒子將一直向左運(yùn)動。常用v－t圖像法來處理此類問題粒子做曲線運(yùn)動帶電粒子以一定初速度垂直電場方向進(jìn)入交變電場時，v0方向：勻速直線運(yùn)動；電場方向：加速或加、減速交替運(yùn)動【例】有一個電子原來靜止于平行板電容器的中間，設(shè)兩板的距