2022-2023年粤教版(2019)新教材高中物理必修3 第2章静电场的应用第2节带电粒子在电场中的运动课件

第二节带电粒子在电场中的运动第二章【必备知识】一、带电粒子在电场中的加速1.基本粒子的受力特点:对于质量很小的基本粒子,如电子、质子等,虽然它们也会受到万有引力(重力)的作用,但万有引力(重力)一般远小于电场力,可以忽略.2.带电粒子加速问题的处理方法:利用动能定理分析.初速度为零的带电粒子,经过电势差为U的电场加速后,二、加速器1.早期制成的加速器是利用高电压的电场来加速带电粒子的.2.由于实际电压有限,为了进一步提高带电粒子的能量,科学家制成了直线加速器,让带电粒子通过多级电场来加速.三、带电粒子在电场中的偏转1.运动特点(1)垂直电场方向:不受力,做匀速直线运动.(2)沿着电场方向:受恒定的电场力,做初速度为零的匀加速直线运动.2.运动规律四、示波器1.构造示波器的核心部件是示波管,它主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成,如图所示.2.原理(1)基本原理:带电粒子在电场力作用下加速和偏转.(2)示波器的灯丝通电后给阴极加热,使阴极发射电子.电子经阳极和阴极间的电场加速聚焦后形成一很细的电子束,电子射出打在管底的荧光屏上,形成一个小亮斑.亮斑在荧光屏上的位置可以通过调节Y偏转板与X偏转板上的电压大小来控制.想一想如图所示,带电粒子(不计重力)从两极板中间垂直电场线方向进入电场,在电场中的运动时间与什么因素有关?【自我检测】1.判断正误,判断结果为错误的小题请说明原因.(1)基本粒子所受重力比电场力小得多,可以忽略不计.(

)答案

√(2)带电粒子在电场中运动时,电场力对粒子一定做正功.(

)解析

电场力可能做正功,也可能做负功,也可能不做功.答案

×(3)电场力对带电粒子做正功时,粒子的动能一定增大.(

)解析

带电粒子不一定只受电场力的作用,只有合力做正功时,动能才增加.答案

×(4)带电粒子垂直进入电场后(仅受到电场力)偏转过程中的动能是不断增加的.(

)答案

√2.下列粒子从初速度为零的状态经过电压为U的电场加速后,粒子速度最大的是(

)A.质子 B.氘核

C.氦核 D.钠离子答案

A3.(多选)示波管是示波器的核心部件,它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成,如图所示.如果在荧光屏上P点出现亮斑,那么示波管中的(

)A.极板X应带正电B.极板X'应带正电C.极板Y应带正电D.极板Y'应带正电解析

由题意知电子在偏转电极YY'间向Y板运动,故Y板带正电,C正确,D错误;在偏转电极XX'间向X板运动,故X板带正电,A正确,B错误.答案

AC探究一带电粒子的加速【问题情境】在真空中有一对平行金属板,由于接上电池组而带电,两板间电势差为U,若一个质量为m、带正电荷q的粒子,以初速度v0从正极板附近向负极板运动.(1)怎样计算该粒子到达负极板时的速度?(2)若粒子带的是负电荷,将做匀减速直线运动,如果能到达负极板,其速度变为多少?(3)上述问题中,两块金属板是平行的,两板间的电场是匀强电场,如果两金属板是其他形状,中间的电场不再均匀,上面的结果是否仍然适用?为什么?(3)结果仍然适用.因为不管是否为匀强电场,静电力做功都可以用W=qU计算,动能定理仍然适用.【知识归纳】1.带电粒子的分类及受力特点(1)电子、质子、α粒子、离子等微粒,一般都不考虑重力.(2)质量较大的物体:带电小球、带电油滴、带电颗粒等,除有说明或有明确的提示外,处理问题时一般都不能忽略重力.2.带电粒子在电场中做直线运动问题的分析方法

【典例剖析】例1(多选)如图所示为示波管中电子枪的原理示意图,示波管内被抽成真空.A、K间电压为U,电子离开A时的速度可以忽略,电子经加速后从K小孔中射出时的速度大小为v.下面的说法中正确的是(

)答案

AC规律方法

分析带电粒子在电场力作用下加速运动的两种方法(1)利用牛顿第二定律F=ma和运动学公式.只能用来分析带电粒子的匀变速运动.变式训练

1如图所示,M和N是匀强电场中的两个等势面,相距为d,电势差为U,一质量为m(不计重力)、电荷量为-q的粒子,以速度v0通过等势面M射入两等势面之间,则该粒子穿过等势面N的速度应是(

)答案

C探究二带电粒子的偏转【问题情境】如图所示,质量为m、电荷量为q的粒子以初速度v0垂直于电场方向射入两极板间并从另外一侧射出,两平行板间存在方向竖直向下的匀强电场,已知板长为l,板间电压为U,板间距为d,不计粒子的重力.(1)怎样求带电粒子在电场中运动的时间t?(2)粒子加速度大小是多少?方向如何?(3)怎样求粒子射出电场时在静电力方向上的偏转距离?(4)粒子离开电场时垂直电场方向和沿电场方向的速度是多少?(5)合速度与初速度方向的夹角θ的正切值是多少?(6)粒子合位移与初速度方向的夹角α的正切值是多少?【知识归纳】1.基本规律2.几个常用推论

和平抛运动规律相似(1)tanθ=2tanα.(2)粒子从偏转电场中射出时,其速度反向延长线与初速度方向延长线交于沿初速度方向分位移的中点.(3)以相同的初速度进入同一个偏转电场的带电粒子,不论m、q是否相同,只要

相同,即比荷相同,则偏转距离y和偏转角θ相同.(4)若以相同的初动能Ek0进入同一个偏转电场,只要q相同,不论m是否相同,则偏转距离y和偏转角θ相同.(5)不同的带电粒子经同一加速电场加速后(即加速电压相同),进入同一偏转电场,则偏转距离y和偏转角θ相同【典例剖析】例2一束电子流经U=500V的加速电压加速后,在距两极板等距处垂直进入平行板间的匀强电场,如图所示,若两极板间距d=1.0cm,板长l=5.0cm.(1)要使电子能从平行板间飞出,两个极板上最多能加多大电压?(2)在保持所加最大电压不变的情况下,将电子流改为质子流,质子能否从两极板间飞出?答案

(1)40V

(2)见解析规律方法

带电粒子在电场中运动问题的处理方法带电粒子在电场中运动的问题实质上是力学问题的延续,从受力角度看,带电粒子与一般物体相比多受到一个电场力;从处理方法上看,仍可利用力学中的规律分析,如选用平衡条件、牛顿运动定律、动能定理、功能关系、能量守恒等.变式训练

2长为L的平行金属板水平放置,两极板带等量的异种电荷,板间形成匀强电场,一个带电荷量为+q、质量为m的带电粒子,以初速度v0紧贴上极板垂直于电场线方向进入该电场,刚好从下极板边缘射出,射出时速度恰与水平方向成30°角,如图所示,不计粒子重力,求:(1)粒子离开电场时的速度大小;(2)匀强电场的场强大小.探究三带电粒子在交变电场中的运动【问题情境】常见的交变电场的电压波形有方形波、锯齿波、正弦波等,如何研究带电粒子在这种复杂的电场中的运动?要点提示

可分段研究,把复杂的电场简单化.【知识归纳】1.常见的题目类型(1)粒子做单向直线运动(一般用牛顿运动定律求解).(2)粒子做往返运动(一般分段研究).(3)粒子做偏转运动(一般根据交变电场特点分段研究).2.思维方法(1)注重全面分析(分析受力特点和运动规律),抓住粒子的运动具有周期性和在空间上具有对称性的特征,求解粒子运动过程中的速度、位移、做功或确定与物理过程相关的边界条件.(2)分析时从两条思路出发,一是力和运动的关系,根据牛顿第二定律及运动学规律分析;二是功能关系.(3)注意对称性和周期性变化关系的应用.要点笔记电场方向变化,加速度随着变化,但速度方向不一定变化.【典例剖析】例3如图甲所示,两平行正对的金属板A、B间加有如图乙所示的交变电压,一重力可忽略不计的带正电粒子被固定在两板的正中间P处.若在t0时刻释放该粒子,粒子会时而向A板运动,时而向B板运动,并最终打在A板上.则t0可能属于的时间段是(

)解析

设粒子的速度方向、位移方向向右为正.依题意知,粒子的速度方向时而为正,时而为负,最终打在A板上时,位移为负,速度方向为负.分别作出时粒子运动的速度图像,如图所示.答案

B变式训练

3在空间有正方向水平向右、大小按如图所示的图线变化的电场,位于电场中A点的电子在t=0时速度为零,在t=1s时,电子离开A点的距离大小为l.那么在t=2s时,电子将处在(

)A.A点

B.A点左方l处C.A点右方2l处 D.A点左方2l处解析

第1

s内电场方向向右,电子受到的静电力方向向左,电子向左做匀加速直线运动,位移为l,第2

s内电子受到的静电力方向向右,由于电子此时有向左的速度,所以电子继续向左做匀减速直线运动,根据运动的对称性,位移也是l,t=2

s时总位移为2l,向左.答案

D

随堂训练1.带电粒子垂直进入匀强电场中偏转时(除电场力外不计其他力的作用),下列说法正确的是(

)A.电势能增加,动能增加B.电势能减小,动能增加C.电势能和动能都不变D.上述结论都不正确解析

根据能量守恒定律可知,只有电场力做功的情况下,动能和电势能之和保持不变,电场力做正功,电势能减小,动能增加,故B选项正确.答案

B2.如图所示,在点电荷+Q激发的电场中有A、B两点,将质子和α粒子分别从A点由静止释放,到达B点时,它们的速度大小之比为(

)A.1∶2B.2∶1 答案

C3.(多选)一带正电的小球向右水平抛入范围足够大的匀强电场,电场方向水平向左.不计空气阻力,则小球(

)A.做直线运动B.做曲线运动C.速率先减小后增大D.速率先增大后减小解析

由题意知,小球受重力、电场力作用,合外力的方向与初速度的方向夹角为钝角,故小球做曲线运动,所以A项错误,B项正确;在运动的过程中合外力先做负功后做正功,所以C项正确,D项错误.答案

BC4.如图所示,有一带电粒子贴着A板沿水平方向射入匀强电场,当偏转电压为U1时,带电粒子沿①轨迹从两板正中间飞出;当偏转电压为U2