物理必修 第三册5 带电粒子在电场中的运动备课ppt课件

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1牛顿第二定律的表达式？
3平抛运动的相关知识点。
4电场力做功的计算公式？
电场中的带电粒子一般可分为两类：
1、带电的基本粒子：如电子，质子，α粒子，正负离子等。这些粒子所受重力和电场力相比小得多，一般都不考虑重力。（但并不能忽略质量）
2、带电微粒：如带电小球、液滴、尘埃等。除有说明或暗示外,一般都考虑重力。
研究带电粒子运动的主要知识点： 电场力 加速度 电场力的功 动能定理
粒子的运动象重力场中的什么运动？
从动力学和运动学角度分析粒子被加速
从做功和能量的角度分析粒子被加速
思考：如果不是匀强电场，上面公式是否适用？
由于电场力做功与场强是否匀强无关，与运动路径也无关，上面公式仍适用！
电荷量为e的电子从金属丝移动到金属板。两处的电势差为U，电势能变化（减少）为e U.电势能的变化全部转化为电子的动能。
例1：实验表明，炽热的金属丝可以发射电子。在炽热金属丝和金属板间加以电压U=2500V，从炽热金属丝发射出的电子在真空中被加速后，从金属板的小孔穿出。电子射出后的速度有多大？设电子刚从金属丝射出时的速度为零。
练习1.如图所示，在P板附近有一电子由静止开始向Q板运动，则关于电子在两板间的运动情况，下列叙述正确的是：( )
A.两板间距越大，加速的时间越长B.两板间距离越小，加速度就越大，则电子到达Q板时的速度就越大C.电子到达Q板时的速度与板间距离无关，仅与加速电压有关D.电子的加速度和末速度都与板间距离无关
练习2.一个初速度为零的电子，在场强为4.0×103 V/m的匀强电场中被加速，求经过2.0×10-8 s后，电子的速度和动能。(电子质量为0.91×10-30kg)
解：①电子在匀强电场中的加速度: a=F/m = eE/m　 速度:v=at= eEt/m = 1.4×107 m/s 　 ②动能Ek= =8.9×10-17 J　
练习3.两块平行的金属板A、B之间的电压是80V，一个电子以6.0×106 m/s的速度从小孔C垂直A板进入电场，该电子能打在B板上吗？如果能打在B板上，它到达B板时的速度有多大？如果电源电压变为120V，情况又会怎样？
解: ①电子射入电场时具有的初动能:　Ek= = 1.6×10-17 J 电子从A板到达B板需克服电场力做功: W=qU= 1.3×10-17J　　Ek >W,可见电子能打在B板，②到达B板时的速度为v= ③如果电源电压变为120V，则电子从A板到达B板需克服电场力做功： W’=qU= 1.9 ×10-17 J， 这时Ek二、不计重力，初速度垂直于电场方向飞入匀强电场
１）粒子在与电场垂直的方向上做：　　 匀速直线运动
２）粒子在与电场平行的方向上做：　　 初速度为零的匀加速运动　
类似平抛运动的分析方法
例题2： 一电子水平射入如图所示的电场中，射入时的速度V0=3.0X107m/s.两极板的长度为L=6.0cm，相距d=2cm，极板间电压U=200V.求电子离开电场时偏转的角度φ。
电子离开电场时沿电场方向的分速度为Vy，
离开电场时的偏转角度为
结论： 带电粒子初速度垂直于电场方向飞入匀强电场的问题就是一个类平抛的问题。 ★粒子在与电场垂直的方向上做匀速直线运动 ★粒子在与电场平行的方向上做初速为零的匀加速运动　
下面看看加速和偏转一体的问题
例3、离子发生器发射出一束质量为m，电荷量为q的负离子，从静止经加速电压U 1 加速后，获得速度 v0，并沿垂直于电场线方向射入两平行板中央，受偏转电压U2作用后，以速度Ｖ离开电场，已知平行板长为Ｌ，两板间距离为d，求：
1）离子在偏转电场中运动的时间、加速度、速度Ｖ的大小；2）离子在离开偏转电场时的横向偏移量和偏转角的正切值。
1）离子在偏转电场中运动的时间、加速度、速度Ｖ的大小
2）离子在离开偏转电场时的横向偏移量和偏转角的正切值。
偏移量和带电粒子q、m无关，只取决于加速电场和偏转电场
偏转角和带电粒子q、m无关，只取决于加速电场和偏转电场
思考题： 让一价氢离子、一价氦离子和二价氦离子的混合物经过同一加速电场由静止开始加速，然后在同一偏转电场里偏转，在通过加速电场时获得的动能是否相同？通过偏转电场时，它们是否会分为三股？请说明理由。
答案：通过加速电场时获得的动能Ek=qU,加速电压相同，二价氦离子电荷量最大，所以二价氦离子获得动能最大。粒子的偏转量和偏转角由加速电场和偏转电场决定，所以三种粒子不可能分开为三股。
练习1、如图，电子在电势差为U1的加速电场中由静止开始加速，然后射入电势差为U2的两块平行极板间的电场中，入射方向跟极板平行。整个装置处在真空中，重力可忽略。在满足电子能射出平行板区的条件下，下述四种情况中，一定能使电子的偏转角θ变大的是 （ ）A.U1变大、U2变大 B.U1变小、U2变大C.U1变大、U2变小 D.U1变小、U2变小
对加速过程由动能定理：
对偏转过程由偏转角正切公式
练习2、如图所示，二价氦离子和质子的混合体，经同一加速电场加速后，垂直射入同一偏转电场中，偏转后，打在同一荧光屏上，则它( ) A.侧移距离相同 B.偏转角相同 C.到达屏上同一点 D.到达屏上不同点
带电粒子的偏移量和偏转角由系统决定，而与粒子的质量、电量无关.只要电性相同的带电粒子,在电场中留下的轨迹相同,所以无法将电性相同的粒子分开.
练习3、如图所示，有一电子(电量为e、质量为m)经电压U1加速后，沿平行金属板A、B中心线进入两板，A、B板间距为d、长度为l， A、B板间电压为U2，屏CD足够大，距离A、B板右边缘2l，AB板的中心线过屏CD的中心且与屏CD垂直。试求电子束打在屏上的位置到屏中心间的距离。
电子离开电场，就好象从中点沿直线离开的：
若金属板水平放置电子将竖直偏转
若金属板竖直放置 电子将水平偏转
1、如果在电极XX'之间不加电压，而在YY '之间加不变电压，使Y的电势比Y '高，电子将打在荧光屏的什么位置？
1、如果在电极XX '之间不加电压，而在YY '之间加不变电压，使Y '的电势比Y高，电子将打在荧光屏的什么位置？
1、如果在电极XX '之间不加电压，但在YY '之间加不变电压，使Y的电势比Y '高，电子将打在荧光屏的什么位置？
如果在电极 YY '之间不加电压，但在XX '之间加不变电压，使X的电势比X '高，电子将打在荧光屏的什么位置？
如果在电极 YY '之间不加电压，但在XX '之间加不变电压，使X '的电势比X高，电子将打在荧光屏的什么位置？
2、如果在电极XX '之间不加电压，但在YY '之间加如图所示的交变电压，在荧光屏上会看到什么图形？
0t13、如果在YY'之间加如图所示的交变电压，同时在XX '之间加不变电压，使X的电势比X '高，在荧光屏上会看到什么图形？
03、如果在YY '之间加如图所示的交变电压，同时在XX '之间加不变电压，使X的电势比X '高，在荧光屏上会看到什么图形？
t13、如果在YY'之间加如图所示的交变电压，同时在XX'之间加不变电压，使X'的电势比X高，在荧光屏上会看到什么图形？
电子沿Y方向向上向下偏， 沿X方向向外偏
4、如果在YY '之间加如图所示的交变电压，同时在XX '之间加锯齿形扫描电压，在荧光屏上会看到什么图形？
一台正常工作的示波管，突然发现荧光屏上画面的高度缩小(如图)，则产生故障的原因可能是(　　)A．加速电压突然变大 B．加速电压突然变小C．偏转电压突然变大 D．偏转电压突然变小
例1、对示波管工作原理的理解
例2、如图所示的示波管，如果在YY '之间加如图所示的交变电压，同时在XX '之间加如图所示的锯齿形电压，使X的电势比X '高，在荧光屏上会看到什么图形？
一、利用电场使带电粒子加速
二、利用电场使带电粒子偏转
从动力学和运动学角度分析
从做功和能量的角度分析
粒子在与电场垂直的方向上做匀速直线运动
粒子在与电场平行的方向上做初速度为零的匀加速运动　
三．处理带电粒子在电场中运动问题的两种基本思路
1．如图所示，边长为L的正方形区域abcd内存在着匀强电场。电量为q、动能为Ek的带电粒子从a点沿ab方向进入电场，不计重力。（1）若粒子从c点离开电场，求电场强度的大小和粒子离开电场时的动能；（2）若粒子离开电场时动能为Ek' ，则电场强度为多大？
（2）若粒子由bc边离开电场，L＝v0t，
2．如图所示，竖直平行直线为匀强电场的电场线，电场方向未知，A，B是电场中的两点，AB两点的连线长为l且与电场线所夹的锐角为θ．一个质量为m，电荷量为－q的带电粒子以初速度v0。从A点垂直进入电场，该带电粒子恰好能经过B点．不考虑带电粒子的重力大小．(1)根据你学过的物理学规律和题中所给的信息，对反映电场本身性质的物理量(例如电场方向)，你能作出哪些定性判断或求得哪些定量结果?
（1）因粒子带负电且向下偏转，故电场力方向向下，所以电场方向竖直向上。
水平方向匀速运动，有： l sinθ =v0t
竖直方向做初速度为零的匀加速运动，有
由qE=ma，得电场强度大小
B点的电势高于A点的电势,有A、B两点间的电势差为：
2．如图所示，竖直平行直线为匀强电场的电场线，电场方向未知，A，B是电场中的两点，AB两点的连线长为l且与电场线所夹的锐角为θ．一个质量为m，电荷量为－q的带电粒子以初速度v0。从A点垂直进入电场，该带电粒子恰好能经过B点．不考虑带电粒子的重力大小．(2)若仅知道带电小球的电荷量－q、初动能Ｅk0以及AB两点的连线与电场线所夹的锐角θ三个量，对反映电场本身性质的物理量，你能求得哪些定量结果?
（2）设初速度大小为v0，小球过B点竖直分速度为vy，瞬时速度为vB，水平和竖直位移分别为x和y，则有：
y=vyt/2 x= v0t 而 y/x=ct θ
所以A、B间的电势差
3．平行板间加如图（a）所示周期变化的电压，重力不计的带电粒子静止在平行板中央，从t=0时刻开始将其释放，运动过程无碰板情况。图（b）中，能定性描述粒子运动的速度图象正确的是 ( )