22帶電粒子在電場中的運動課件高二上學期物理粵教版

第二章

靜電場的應(yīng)用第二節(jié)帶電粒子在電場中的運動問題：

由于醫(yī)用電子直線加速器需要產(chǎn)生的粒子速度非常大，我們是如何使帶電粒子獲得較高的能量？情境:

如圖，在加上電壓U并處于真空中相距

d的平行金屬板間有一正電荷q,質(zhì)量為m,只在電場力作用下由靜止開始從正極板A向負極板B運動。任務(wù)1.分析“一級靜電加速器”的工作原理ABUdE+Fv問題：電荷將做什么運動？到達B

板的速度多大？方法一：動力學觀點：——主要用牛頓運動定律和勻變速直線運動的規(guī)律ABUdE+Fv由牛頓第二定律：由運動學公式：初速度不為零呢？只適用于勻強電場電場力:F=qE粒子加速后的速度只與加速電壓有關(guān)任務(wù)1.分析“一級靜電加速器”的工作原理任務(wù)1.分析“一級靜電加速器”的工作原理總結(jié)：粒子加速后的速度只與加速電壓有關(guān)。ABUdE+Fv初速度不為零呢？方法二：能量觀點：——利用動能定理思考：若兩極板間不是勻強電場，該用何種方法求解？若粒子的初速度為零,則:若粒子的初速度不為零,則:能量觀點——動能定理粒子在非勻強電場中加速，適合從能量觀點解決問題。FEAB

任務(wù)1.分析“一級靜電加速器”的工作原理任務(wù)2.分析兩種不同原理的“多級靜電加速器”問題：如圖多級平行板連接，能否加速粒子？U＋＋＋－－－ABCDEF任務(wù)2.分析兩種不同原理的“多級靜電加速器”U~＋－U0u0-u0tT2Tt若電子勻速穿過每個圓筒運動的時間恰好等于交變電源周期的一半問題：(1)帶電粒子是在金屬筒內(nèi)加速還是在金屬筒之間加速?(2)為什么要使用交變電源，交變電源的周期有什么特點?任務(wù)2.分析兩種不同原理的“多級靜電加速器”～U0u0-u0tT2TtU~＋－問題:金屬筒的長度有什么規(guī)律?任務(wù)2.分析兩種不同原理的“多級靜電加速器”方法：分析帶電粒子加速的問題，常有兩種思路∶動力學觀點（利用牛頓第二定律結(jié)合勻變速直線運動公式）能量觀點（靜電力做功結(jié)合動能定理）當解決的問題屬于勻強電場且涉及運動時間等描述運動過程的物理量時，適合運用動力學觀點分析;當問題只涉及位移、速率等動能定理公式中的物理量或非勻強電場情景時，適合運用能量觀點分析。任務(wù)2.分析兩種不同原理的“多級靜電加速器”例題：如圖甲，為多級靜電加速器。如圖乙，交變電源兩極間電勢差的變化規(guī)律。在t＝0時，奇數(shù)圓筒相對偶數(shù)圓筒的電勢差為正值，此時位于和偶數(shù)圓筒相連的金屬圓板（序號為0）中央的一個電子，在圓板和圓筒1之間的電場中由靜止開始加速。若已知電子的質(zhì)量為m，電子電荷量為e，電壓的絕對值為u，周期為T，電子通過圓筒間隙的時間可以忽略不計。問：（1）電子離開圓筒1的速度多大？圓筒1的長度多大？（2）電子離開圓筒2的速度多大？圓筒2的長度多大？（3）電子離開圓筒n的速度多大？圓筒n的長度多大？任務(wù)2.分析兩種不同原理的“多級靜電加速器”科學家們?yōu)榱耸闺娮荧@得無限接近光速的動能，給歐洲大型強子對撞機鋪設(shè)了周長為27km的加速管道.任務(wù)2.分析兩種不同原理的“多級靜電加速器”小結(jié)1.研究“一級靜電粒子加速器”工作原理。從運動和力的關(guān)系，從功和能量變化的關(guān)系兩個角度分析帶電粒子在勻強電場中的加速問題。2.研究兩種“多級靜電粒子加速器”的不同原理。任務(wù)3.分析陰極射線管實驗原理分析問題：實驗中，調(diào)節(jié)加速電場或偏轉(zhuǎn)電場的電壓，電子運動軌跡發(fā)生變化。(1)電子在電場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這個運動和我以前學過的哪個運動相似?(2)電子偏轉(zhuǎn)運動所處空間的電場有什么特點?任務(wù)2.分析帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)運動如圖，一帶電粒子以垂直勻強電場的場強方向以初速度v0

射入電場，若不計粒子的重力，帶電粒子將做什么運動？1.受力分析：僅受豎直向下的電場力做類平拋運動2.運動分析：v0q、mLd----------+++++++++U++垂直電場方向：勻速直線運動沿電場方向：初速度為零的勻加速直線運動任務(wù)2.分析帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)運動Ld+-------------

+++++++++++

Uv0q、mF+vv0vyyθ偏轉(zhuǎn)角（偏向角）偏移距離（側(cè)移距離或側(cè)移量）如圖，粒子以初速度v0射入電場，求射出電場時沿垂直于板面方向偏移的距離y和速度偏轉(zhuǎn)的角度θ正切值。任務(wù)2.分析帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)運動

++++++------

lv0dU-qmθvv0v⊥y類平拋運動偏轉(zhuǎn)角偏移量F3.豎直分位移（側(cè)移距離）:4.速度偏轉(zhuǎn)角:若粒子帶負電小結(jié)當偏轉(zhuǎn)電場的U、L、d一定：Ld----------+++++++++Uv0q、m++vyθvv0y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(guān)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(guān)1.初速度相同的帶電粒子，無論m、q是否相同，只要q/m相同，則偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角度θ都相同。(即軌跡重合)2.初動能相同的帶電粒子，只要q相同，無論m是否相同，則偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角度θ都相同。(即軌跡重合)【推論】帶電粒子離開偏轉(zhuǎn)電場時,其瞬時速度的反向延長線過水平位移的中點。且速度偏角正切值是位移偏角正切值的2倍，即

小結(jié)任務(wù)2.分析帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)運動任務(wù)2.分析帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)運動加速電壓

電子槍偏轉(zhuǎn)電極亮斑亮斑熒光屏

電子槍產(chǎn)生高速飛行的電子束

加速電壓

示波管的構(gòu)造ABU1E+F----------+++++++++U2+vyθyvv0v0結(jié)論：不同帶電粒子由靜止經(jīng)同一電場加速，再垂直進入同一偏轉(zhuǎn)電場，它們飛出的側(cè)移量y和偏轉(zhuǎn)角θ都是相同的，也就是說運動軌跡是完全重合的，與m、q無關(guān)，但與電性有關(guān)。任務(wù)3.帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)【典例3】如圖所示為兩組平行金屬板，一組豎直放置，一組水平放置，今有一質(zhì)量為m的電子(電荷量為e)靜止在豎直放置的平行金屬板的A點，經(jīng)電壓U0加速后通過B點進入兩間距為d、電壓為U的水平放置的平行金屬板間，若電子從兩塊水平平行板的正中間射入，且最后電子剛好能從右側(cè)的兩塊平行金屬板穿出，A、B分別為兩塊豎直板的中點，不計電子重力，求：(1)電子通過B點時的速度大小；(2)右側(cè)平行金屬板的長度；(3)電子穿出右側(cè)平行金屬板時的動能。任務(wù)3.帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)

任務(wù)3.帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)任務(wù)3.帶電粒子在電場中的加速和偏轉(zhuǎn)

鞏固提升【練習2】如圖，一帶正電荷的粒子以豎直向上的速度v從P點進入水平向右的勻強電場中，已知粒子所受重力與其所受的電場力大小相等。與在P點相比，粒子運動到最高點時（

）A．電勢能增加，動能不變 B．電勢能減小，動能不變C．重力勢能增加，動能減小 D．重力勢能增加，動能增加【正確答案】B鞏固提升【練習5】（2022·遼寧營口·高二開學考試）如圖所示，長為L的絕緣細線一端連著帶正電小球（視為點電荷），另一端固定在O點，小球在豎直平面內(nèi)繞O