带电粒子在电场中加速与偏转

1、带电粒子在电场中的加速和偏转编稿：董炳伦 审稿：李井军 目标认知学习目标1、能够熟练的对带电粒子在电场中的加速和偏转进行计算2、了解示波管的工作原理，体会静电场知识对科学技术的影响。学习的重点和难点带电粒子在电场中的加速和偏转知识要点梳理知识点一：带电粒子在电场中的加速和减速运动要点诠释：（1）带电粒子在匀强电场中运动的计算方法用牛顿第二定律计算：带电粒子受到恒力的作用，可以方便的由牛顿第二定律以及匀变速直线运动的公式进行计算。用动能定理计算：带电粒子在电场中通过电势差为UAB 的两点时动能的变化是，则。(2)带电粒子在非匀强电场中运动的计算方法用动能定理计算：在非匀强电场中，带电粒子受到变力

2、的作用，用牛顿第二定律计算不方便，通常只用动能定理计算。：如图真空中有一对平行金属板，间距为d，接在电压为U的电源上，质量为m、电量为q的正电荷穿过正极板上的小孔以v0进入电场，到达负极板时从负极板上正对的小孔穿出。不计重力，求：正电荷穿出时的速度v是多大？解法一、动力学由牛顿第二定律： 由运动学知识：v2v02=2ad 联立解得：解法二、由动能定理解得讨论：（1）若带电粒子在正极板处v00， 由动能定理得qU=mv2-mv02 解得v=（2）若将图中电池组的正负极调换，则两极板间匀强电场的场强方向变为水平向左，带电量为+q，质量为m的带电粒子，以初速度v0，穿过左极板的小孔进入电场，在电场中

3、做匀减速直线运动。若v0，则带电粒子能从对面极板的小孔穿出，穿出时的速度大小为v，有 -qU=mv2-mv02解得v=若v0，则带电粒子不能从对面极板的小孔穿出，带电粒子速度减为零后，反方向加速运动，从左极板的小孔穿出，穿出时速度大小v=v0。设带电粒子在电场中运动时距左极板的最远距离为x，由动能定理有： -qEx=0-mv02又E=(式d中为两极板间距离)解得x=。知识点二：带电粒子在电场中的偏转要点诠释：（1）带电粒子在匀强电场中的偏转高中阶段定量计算的是，带电粒子与电场线垂直地进入匀强电场或进入平行板电容器之间的匀强电场。如图所示：（2）粒子在偏转电场中的运动性质受到恒力的作用，初速度与

4、电场力垂直，做类平抛运动：在垂直于电场方向做匀速直线运动；在平行于电场方向做初速度为零的匀加速直线运动。（U为偏转电压，d为两板间的距离，L为偏转电场的宽度（或者是平行板的长度），v0为经加速电场后粒子进入偏转电场时的初速度。）（3）带电粒子离开电场时垂直电场线方向的速度沿电场线方向的速度是合速度大小是： ，方向： 离开电场时沿电场线方向发生的位移偏转角度也可以由边长的比来表示，过出射点沿速度方向做反向延长线，交入射方向与点Q，如图：设Q点到出射板边缘的水平距离为x，则又， 解得：即带电粒子离开平行板电场边缘时，都是好像从金属板间中心线的中点处沿直线飞出的，这个结论可直接引用。知识点三：带电粒

5、子在电场中的加速与偏转问题的综合如图所示，一个质量为m、带电量为q的粒子，由静止开始，先经过电压为U1的电场加速后，再垂直于电场方向射入两平行金属板间的匀强电场中，两金属板板长为，间距为d，板间电压为U2。1、粒子射出两金属板间时偏转的距离y加速过程使粒子获得速度v0，由动能定理。偏转过程经历的时间，偏转过程加速度，所以偏转的距离。可见经同一电场加速的带电粒子在偏转电场中的偏移量，与粒子q、m无关，只取决于加速电场和偏转电场。2、偏转的角度偏转的角度。可见经同一电场加速的带电粒子在偏转电场中的偏转角度，也与粒子q、m无关，只取决于加速电场和偏转电场。知识点四：带电粒子在电场中运动应用：示波管1

6、、构造主要由电子枪、竖直偏转电极YY、水平偏转电极XX和荧光屏等组成。如图所示：2、工作原理电子枪只是用来发射和加速电子。在XX、YY都没有电压时，在荧光屏中心处产生一个亮斑。如果只在YY加正弦变化电压UUmsin t时，荧光屏上亮点的运动是竖直方向的简谐运动，在荧光屏上看到一条竖直方向的亮线。如果只在XX加上跟时间成正比的锯齿形电压（称扫描电压）时，荧光屏上亮点的运动是不断重复从左到右的匀速直线运动，扫描电压变化很快，亮点看起来就成为一条水平的亮线。如果同时在XX加扫描电压、YY加同周期的正弦变化电压，荧光屏亮点同时参与水平方向匀速直线运动、竖直方向简谐运动，在荧光屏上看到的曲线为一个完整的

7、正弦波形。规律方法指导1、研究带电粒子在电场中运动的两条主要线索 带电粒子在电场中的运动，是一个综合电场力、电势能的力学问题，研究的方法与质点动力学相同，它同样遵循运动的合成与分解、力的独立作用原理、牛顿运动定律、动量定理、动能定理、功能原理等力学规律研究时，主要可以按以下两条线索展开（1）力和运动的关系牛顿第二定律 根据带电粒粒子受到的电场力，用牛顿第二定律找出加速度，结合运动学公式确定带电粒子的速度、位移等.这条线索通常适用于恒力作用下做匀变速运动的情况（2）功和能的关系动能定理根据电场力对带电粒子所做的功，引起带电粒子的能量发生变化，利用动能定理或从全过程中能量的转化，研究带电粒子的速度

8、变化，经历的位移等这条线索同样也适用于不均匀的电场要注意分清微观粒子和普通带电微粒：研究微观粒子(如电子、质子、粒子等)在电场中的运动，通常不必考虑其重力及运动中重力势能的变化；研究普通的带电微粒(如油滴、尘埃等)在电场中的运动，必须考虑其重力及运动中重力势能的变化2、研究带电粒子在电场中运动的两类重要的思维技巧（1）类比与等效 电场力和重力都是恒力，在电场力作用下的运动可与重力作用下的运动类比例如，垂直射入平行板电场中的带电粒子的运动可类比于平抛，带电单摆在竖直方向匀强电场中的运动可等效于重力场强度g值的变化等（2）整体法(全过程法) 电荷间的相互作用是成对出现的，把电荷系统的整体作为研究对

9、象，就可以不必考虑其间的相互作用电场力的功与重力的功一样，都只与始末位置有关，与路径无关它们分别引起电荷电势能的变化和重力势能的变化，从电荷运功的全过程中功能关系出发(尤其从静止出发末速度为零的问题)往往能迅速找到解题入口或简化计算3、处理带电粒子在电场中运动的一般步骤带电粒子在匀强电场中加速和偏转，带电粒子的加速是一种匀变速直线运动，带电粒子的偏转是一种匀变速曲线运动，类似于平抛运动。处理带电粒子在电场中运动的一般步骤是：（1）分析带电粒子的受力情况，尤其要注意是否应该考虑重力，电场力是否恒定等。（2）分析带电粒子的初始状态及条件，确定带电粒子作直线运动还是曲线运动。（3）建立正确的物理模型

10、，确定解题方法是动力学，还是能量守恒（或动能定理）。（4）利用物理规律或其他手段（如图线等）找出物理量间的关系，建立方程组。典型例题透析类型一：带电粒子在电场中的加速1、如图M、N是在真空中竖直放置的两块平行金属板。质量为m、电量为-q的带电粒子，以初速v0由小孔进入电场，当M，N间电压为U时，粒子刚好能到达N极，如果要使这个带电粒子能到达M，N两板间距的1/2处返回，则下述措施能满足要求的是（ ）A、使初速度减为原来的1/2 B、使M，N间电压加倍C、使M，N间电压提高到原来的4倍 D、使初速度和M，N间电压都减为原来的1/2解析：在粒子刚好到达N极的过程中，由动能定理得： -qEd=0-m

11、v02解得d=使初速度减为原来的1/2，则带电粒子离开正极板的最远距离x，x=使M，N间电压加倍则 x=使M，N间电压提高到原来的4倍，则x=使初速度和M，N间电压都减为原来的1/2，则x=所以应选BD。答案：BD总结升华：分析带电粒子的加速问题，往往应用动能定理来解决。迁移应用变式、如图一个质量为m，电量为-q的小物体，可在水平轨道x上运动，O端有一与轨道垂直的固定墙。轨道处在场强大小为E，方向沿Ox轴正向的匀强电场中，小物体以初速度v0从x0点沿Ox轨道运动，运动中受到大小不变的摩擦力f作用，且fqE。小物体与墙碰撞时不损失机械能，求它在停止前所通过的总路程s？思路分析：首先分析物体的运动

12、状态，建立物理图景，物体受四个力作用，竖直方向重力和支持力平衡外，还受向左的电场力F和摩擦力f，因为Ff，合力向左，物体向左做匀加速直线运动，与墙碰撞后，向右做匀减速运动，速度减为零后，又会向左做匀加速直线运动，直到与墙碰撞，重复多次以上过程。由于摩擦力总是做负功，物体总能量不断损失，直到最后停止。解析：物体停止时，必须满足两个条件：速度为零和物体所受合力为零，物体只有停在O点才能满足上述条件。因为电场力做功与路径无关，所以：W电qEx0根据动能定理：qEx0fs0mv022所以：s(2qEx0+mv02)2f 总结升华：电场力做功与路径无关，摩擦力做功与路径有关。类型二：带电粒子在电场中的偏

13、转2、 如图所示，平行实线代表电场线，但未标明方向，带电量q= C的正电荷微粒只受电场力作用，由A点移到B点，动能损失0.1J，若A点电势为10V，则：（ ）A. B点电势为零 B. 电场线方向向左C. 微粒运动的轨迹可能是“1” D. 微粒运动的轨迹可能是“2”解析：根据曲线运动的合外力指向曲线凹的一侧知道，如果带电粒子沿着轨迹“1”从A运动到B，电场力的方向一定是沿电场线向左的，可见合外力的方向和速度的方向（轨迹切线方向）夹钝角，带电粒子做减速运动，它在A点的动能一定大于它在B点的动能。由能量守恒知，带电粒子在A点的电势能也一定小于它在B点的电势能，带电粒子从A运动到B的过程电场力一定做负

14、功。又因为移动的电荷是一个正电荷，所以一定是从低电势到达高电势，即B点的电势高于A的电势。而题设条件恰好是带电粒子从A运动到B动能损失了，与我们的假设一致，所以C选项正确，正电荷受到的力向左，电场强度也一定是向左的，B选项正确。由动能定理得，所以，选项A正确。答案：ABC总结升华：在分析带电粒子的加速和偏转的时候，应该把曲线运动的条件、动能定理以及能的转化和守恒定律结合起来进行。3、如图所示，水平放置的平行金属板的板长4cm，板间匀强电场的场强E104N/C，一束电子以初速度v02107 m/s沿两板中线垂直电场进入板间，从板的中间到竖立的荧光屏的距离L20 cm，求电子打在荧光屏上的光点A偏

15、离荧光屏中心的距离Y？（电子的比荷）思路点拨：可以将带电粒子的运动分成两个阶段，第一个阶段是在电场内，它偏转的距离为y；第二个阶段是在电场外，粒子以v做匀速直线运动，相当于在水平方向以v0匀速运动与竖直方向以vy的速度匀速运动的合运动，再求出偏转距离y。整个的偏转距离Y=y+y第二种分析方法是利用“带电粒子离开平行板电场边缘时，都是好像从金属板间中心线的中点处沿直线飞出的”这个结论，解题比较简便。解析：如图：由相似三角形得：所以：代入数据得：Y=0.0352 m=3.52cm总结升华：巧用“带电粒子离开平行板电场边缘时，都是好象从金属板间中心线的中点处沿直线飞出的”这个结论，可使解题比较简便。

16、类型三：带电粒子的加速与偏转问题综合问题4、氢核（H）和氦核（He）垂直射入同一匀强电场，求分别在下列情况下离开电场时它们的横向位移之比：（1）初速相同；（2）初动能相同；（3）初动量相同；（4）先经过同一加速电场后进入偏转电场。解析：粒子在匀强电场中偏转，做运动：平行电场方向：L=v0t. (L为极板长)垂直电场方向：y=t2. (y为偏转位移)由两式得：y=(1)初速相同时，y, 所以=.(2)初动能相同时y= yq 所以=.(3)初动量相同时 y= yqm 所以=.(4)先经过同一加速电场加速 由qU加=mv02得y=，与qm无关，所以 =1总结升华：由于基本粒子（电子、质子、a粒子等）

17、在电场中受到电场力Eq mg, 所以基本粒子受到的重力可以忽略不计，但带电的宏观物体（由大量分子构成）如小颗粒、小球、小液滴等所受重力不能忽略。类型四：带电粒子在电场中运动的应用5、 如图是直线加速器的原理示意图，N个长度逐渐增大的金属圆筒和一个靶，它们沿轴线排成一串，各筒和靶相间连接在频率为f、最大电压为U的正弦交流电源两端，整个装置放在高真空的容器中，圆筒的两底面中心开有小孔。现有一电量为q、质量为m的正离子沿轴线射入圆筒，并将在圆筒间及圆筒与靶间的缝隙处受到电场力的作用而加速，缝隙宽度很小，离子穿过缝隙的时间不计，已知离子进入第一个筒左端速度为，且此时第1、2个筒间电势差为，为使打到靶上

18、的离子获得最大能量，各筒长度应满足什么条件？请求出在这种情况下打到靶上的离子的能量。思路点拨：相邻的圆筒分别连接在交变电源的两个不同的极上，要使得打到靶子上的粒子动能最大，必须粒子每经过相邻两筒的缝隙时都得到加速，要求粒子在每一个圆筒中运动的时间等于交变电压改变极性的时间，即交变电压的半个周期。从理论上讲，粒子在圆筒内运动的时间是交变电压半周期的奇数倍也可以，从实际问题出发没有必要的。解析：从实际问题看，只需离子在每个筒内运动时间都为就可以使粒子加速后获得最大的动能。每次通过两个圆筒的间隙时，动能增加。由动能定理得 ，粒子在圆筒内不受外力做匀速运动，解得：（），所以粒子到达靶上离子能量误区警示：全过程粒子经过了N次加速，每一次加速获得的动能都是qU；粒子在屏蔽的圆筒中不受加速电场力作用而做匀速运动。6、如图所示，电子经U1电压加速后以速度v0进入偏转电压为U的电场中，电子离开电场后打在距离偏转电场为L的屏上，试求电子打在屏上的位置与屏的中点的距离y（平行板的长度为，板间距离为d