帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)（導(dǎo)學(xué)案）（原卷版）-高二物理（人教版2019）

第5節(jié)帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)學(xué)案【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1、會(huì)從運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系的角度、從功和能量變化的關(guān)系的角度分析帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的加速問題。2、知道帶電粒子垂直于電場(chǎng)線進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，并能對(duì)偏移距離、偏轉(zhuǎn)角度、離開電場(chǎng)時(shí)的速度等物理量進(jìn)行分析與計(jì)算。3、了解示波管的工作原理，體會(huì)靜電場(chǎng)知識(shí)對(duì)科學(xué)技術(shù)的影響。4、通過解決帶電粒子在電場(chǎng)中加速和偏轉(zhuǎn)的問題，加深對(duì)從牛頓運(yùn)動(dòng)定律和功能關(guān)系兩個(gè)角度分析物體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)，以及將勻變速直線運(yùn)動(dòng)分解為兩個(gè)方向上的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)來處理的思路的認(rèn)識(shí)?！緦W(xué)習(xí)重難點(diǎn)】學(xué)習(xí)重點(diǎn)：圍繞不同核心概念分析帶電粒子的加速與偏轉(zhuǎn)問題。學(xué)習(xí)難點(diǎn)：圍繞不同核心概念分析帶電粒子的加速與偏轉(zhuǎn)問題。【知識(shí)回顧】1、牛頓第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式：__________；消去了時(shí)間的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式：__________；動(dòng)能定理的數(shù)學(xué)表達(dá)式：__________。2、利用電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算電場(chǎng)力：__________；電場(chǎng)強(qiáng)度與電勢(shì)差之間的關(guān)系式：__________；電場(chǎng)力做功與電勢(shì)差之間的關(guān)系式：__________。3、在平拋運(yùn)動(dòng)中，物體在水平方向做__________（設(shè)速度為v0），在豎直方向做__________（設(shè)高度為h），飛行時(shí)間可由__________或__________計(jì)算，一段時(shí)間t后的豎直分速度為__________，合速度為____________________，水平位移為__________，豎直位移為__________，速度偏向角的正切值為____________________，位移偏向角的正切值為____________________，且__________，某時(shí)刻速度方向的反向延長線過這段時(shí)間水平位移的__________。【自主預(yù)習(xí)】1、在電場(chǎng)中帶電粒子的加速度為____________________。2、經(jīng)過電壓為U的加速電場(chǎng)加速后，帶電粒子的速度變?yōu)開___________________。3、若電荷量為q、質(zhì)量為m、初速度為v0的帶電粒子沿軸線飛入長為L、寬為d、電壓為U的平行板電容器，則穿過電容器的時(shí)間為__________，豎直分速度為____________________，豎直位移為____________________，速度偏向角的正切值為____________________?！菊n堂探究】新課導(dǎo)入電子被加速器加速后轟擊重金屬靶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生射線，可用于放射治療。在原子物理、核物理等領(lǐng)域，帶電粒子被加速成高能粒子，轟擊原子、原子核，幫助人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)。第一部分：帶電粒子在電場(chǎng)中的加速思考1：如圖，一個(gè)質(zhì)量為m、帶正電荷q的粒子，只在靜電力的作用下由靜止開始從正極板A向負(fù)極板B運(yùn)動(dòng)。試計(jì)算粒子到達(dá)負(fù)極板時(shí)的速度？思考2：若兩極板間不是勻強(qiáng)電場(chǎng)，該用何種方法求解？思考3：如圖所示，將多級(jí)平行板連接，能否加速粒子？思考4：怎樣調(diào)整才能使粒子被連續(xù)加速？多級(jí)直線加速器：因交變電壓的變化周期相同，故粒子在每個(gè)加速電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間__________?！纠}】如圖甲，某裝置由多個(gè)橫截面積相同的金屬圓筒依次排列，其中心軸線在同一直線上，圓筒的長度依照一定的規(guī)律依次增加。序號(hào)為奇數(shù)的圓筒和交變電源的一個(gè)極相連，序號(hào)為偶數(shù)的圓筒和該電源的另一個(gè)極相連。交變電源兩極間電勢(shì)差的變化規(guī)律如圖乙所示。在t＝0時(shí)，奇數(shù)圓筒相對(duì)偶數(shù)圓筒的電勢(shì)差為正值，此時(shí)位于和偶數(shù)圓筒相連的金屬圓板（序號(hào)為0）中央的一個(gè)電子，在圓板和圓筒1之間的電場(chǎng)中由靜止開始加速，沿中心軸線沖進(jìn)圓筒1，為使電子運(yùn)動(dòng)到圓筒與圓筒之間各個(gè)間隙中都能恰好使靜電力的方向跟運(yùn)動(dòng)方向相同而不斷加速，圓筒長度的設(shè)計(jì)必須遵照一定的規(guī)律。若已知電子的質(zhì)量為m，電子電荷量為e，電壓的絕對(duì)值為u，周期為T，電子通過圓筒間隙的時(shí)間可以忽略不計(jì)。則金屬圓筒的長度和它的序號(hào)之間有什么定量關(guān)系？第n個(gè)金屬圓筒的長度應(yīng)該是多少？分析帶電粒子加速的問題，常有兩種思路：一種是利用__________結(jié)合__________分析；另一種是利用__________結(jié)合__________分析。當(dāng)解決的問題屬于勻強(qiáng)電場(chǎng)且涉及運(yùn)動(dòng)時(shí)間等描述運(yùn)動(dòng)過程的物理量時(shí)，適合運(yùn)用__________思路分析;當(dāng)問題只涉及位移、速率等動(dòng)能定理公式中的物理量或非勻強(qiáng)電場(chǎng)情景時(shí)，適合運(yùn)用__________思路分析。第二部分：帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)思考1：如圖，一帶電粒子以垂直勻強(qiáng)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)方向以初速度v0射入電場(chǎng)，若不計(jì)粒子的重力，帶電粒子將做什么運(yùn)動(dòng)？思考2：如圖，粒子以初速度v0射入電場(chǎng)，求射出電場(chǎng)時(shí)沿垂直于板面方向偏移的距離y和速度偏轉(zhuǎn)的角度θ。推論：①初速度相同的帶電粒子，無論m、q是否相同，只要__________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(dòng)能相同的帶電粒子，只要q相同，無論__________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）思考3：如果偏轉(zhuǎn)電極的放置方式不同，粒子的運(yùn)動(dòng)會(huì)有何不同呢？第三部分：帶電粒子在電場(chǎng)中的加速和偏轉(zhuǎn)思考1：如圖，如果電子在電場(chǎng)中既加速又偏轉(zhuǎn)會(huì)怎樣呢？思考2：若粒子是從靜止經(jīng)過電場(chǎng)加速電壓U1加速后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)U2發(fā)生側(cè)移y；離開電場(chǎng)后，打在熒光屏上形成光斑，光斑距熒光屏中心的距離Y。則y與Y的表達(dá)式是怎樣的？思考3：在上述分析過程中，為什么沒有分析粒子的重力？思考4：粒子恰好飛出或飛不出偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的條件是什么？【視頻】帶電粒子的偏轉(zhuǎn)?！疽曨l】帶電粒子在電場(chǎng)中加速、偏轉(zhuǎn)。第四部分：示波管的原理示波管的結(jié)構(gòu)、用途思考：結(jié)合上圖，在下列情形中，在圖中標(biāo)出電子打在熒光屏的大致位置。在XXˊ之間不加電壓在YYˊ之間也不加電壓在XXˊ之間不加電壓在YYˊ之間加不變電壓使Y的電勢(shì)比Yˊ高在XXˊ之間不加電壓在YYˊ之間加不變電壓使Yˊ的電勢(shì)比Y高在XXˊ之間不加電壓在YYˊ之間加如圖規(guī)律的電壓在YYˊ之間不加電壓，而在XXˊ之間加不變電壓使X的電勢(shì)比Xˊ高在YYˊ之間不加電壓在XXˊ之間加不變電壓使Xˊ的電勢(shì)比X高XXˊ所加的電壓為特定的周期性變化電壓（即__________）在YYˊ之間加如圖的交變電壓在XXˊ之間加鋸齒形掃描電壓如果信號(hào)電壓是周期性的，并且掃描電壓與信號(hào)電壓的__________相同，就可以在熒光屏上得到待測(cè)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)隨時(shí)間變化的穩(wěn)定圖像?！疽曨l】示波管原理?！咀晕覝y(cè)評(píng)】1．（2022·福建寧德·高二期末）一電子（電荷量大小為e，質(zhì)量為m）由靜止釋放，經(jīng)U1的加速電壓加速后，沿平行于板面方向進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)。如圖所示，兩板相距為d，板長為l，極板間的電壓為U2。電子射出偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)速度偏轉(zhuǎn)角為θ，偏移的距離為y。則下列選項(xiàng)正確的是（）A．偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中電場(chǎng)線豎直向上 B．加速電場(chǎng)中左極板電勢(shì)較低C．y=U2l2．（2022秋·廣東廣州·高三廣東華僑中學(xué)?？茧A段練習(xí)）如圖，一帶正電荷的粒子以豎直向上的速度v從P點(diǎn)進(jìn)入水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng)中，已知粒子所受重力與其所受的電場(chǎng)力大小相等。與在P點(diǎn)相比，粒子運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)（

）A．電勢(shì)能增加，動(dòng)能不變 B．電勢(shì)能減小，動(dòng)能不變C．重力勢(shì)能增加，動(dòng)能減小 D．重力勢(shì)能增加，動(dòng)能增加3．（2022·湖北襄陽·襄陽五中?？寄M預(yù)測(cè)）圖甲為示波管的原理圖。電子槍源源不斷發(fā)射的電子經(jīng)前面的加速電壓加速之后已經(jīng)獲得了極大的速度，如果在電極XX'之間所加的電壓按圖乙所示的規(guī)律變化，在電極A． B．C． D．4．（2024·全國·高三專題練習(xí)）在真空中有水平放置的兩個(gè)平行、正對(duì)金屬平板，板長為l，兩板間距離為d，在兩極板間加一交變電壓如圖乙，質(zhì)量為m，電荷量為e的電子以速度v0（v0接近光速的120）從兩極板左端中點(diǎn)沿水平方向連續(xù)不斷地射入兩平行板之間。若電子經(jīng)過兩極板間的時(shí)間相比交變電流的周期可忽略不計(jì)，不考慮電子間的相互作用和相對(duì)論效應(yīng)，則在任意0.2sA．當(dāng)UmB．當(dāng)UmC．當(dāng)Um=2md2vD．當(dāng)Um=2m5．（2022·遼寧營口·高二開學(xué)考試）如圖所示，長為L的絕緣細(xì)線一端連著帶正電小球（視為點(diǎn)電荷），另一端固定在O點(diǎn)，小球在豎直平面內(nèi)繞O點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)。已知小球的質(zhì)量為m、電荷量為q，勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E、方向水平向右，重力加速度大小為g。下列說法正確的是（）A．小球經(jīng)過最低點(diǎn)時(shí)速度最大B．若細(xì)線斷裂，小球?qū)⒆鰟蜃兯龠\(yùn)動(dòng)C．小球運(yùn)動(dòng)過程中的最小速度可能為gD．若小球做逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，從B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)的過程中，其動(dòng)能、重力勢(shì)能和電勢(shì)能之和先增加后減少6．（2022·重慶·模擬）在傾角為θ的光滑固定絕緣斜面上有兩個(gè)用絕緣輕彈簧連接的物塊A和B，它們的質(zhì)量分別為m和2m，彈簧的勁度系數(shù)為k，C為一固定擋板，開始未加電場(chǎng)，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，A帶正電，B不帶電，現(xiàn)加一沿斜面向上的勻強(qiáng)電場(chǎng)，物塊A沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)B剛離開C時(shí)，A的速度為v，之后兩個(gè)物體運(yùn)動(dòng)中當(dāng)A的加速度為0時(shí)，B的加速度大小均為a，方向沿斜面向上，則下列說法正確的是（）A．從加電場(chǎng)后到B剛離開C的過程中，擋板C對(duì)物塊B的沖量為0B．從加電場(chǎng)后到B剛離開C的過程中，A發(fā)生的位移大小為3mgC．從加電場(chǎng)后到B剛離開C的過程中，物塊A的機(jī)械能和電勢(shì)能之和先增大后減小D．B剛離開C時(shí)，電場(chǎng)力對(duì)A做功的瞬時(shí)功率為3mg7．（2022·福建·莆田一中高一期末）如圖所示，虛線MN左側(cè)有一場(chǎng)強(qiáng)為E1＝E的勻強(qiáng)電場(chǎng)，在兩條平行的虛線MN和PQ之間存在著寬為L、電場(chǎng)強(qiáng)度為E2＝2E的勻強(qiáng)電場(chǎng)，在虛線PQ右側(cè)距PQ為L處有一與電場(chǎng)E2平行的屏?，F(xiàn)將一電子（電荷量為e，質(zhì)量為m，重力不計(jì)）無初速度地放入電場(chǎng)E1中的A點(diǎn)，最后電子打在右側(cè)的屏上，A點(diǎn)到MN的距高為L2，AO連線與屏垂直，垂足為O（1）電子到MN的速度大?。海?）電子從釋放到打到屏上所用的時(shí)間；（3）電子剛射出電場(chǎng)E2時(shí)的速度方向與AO連線夾角θ的正切值tanθ8．（2022·遼寧·鞍山市礦山高級(jí)中學(xué)高三階段練習(xí)）如圖所示，AB為半徑R=1m的四分之一光滑絕緣豎直圓弧軌道，在四分之一圓弧區(qū)域內(nèi)存在著E=1×106V/