带电粒子在电场中的运动

1.9带电粒子在电场中的运动J2459学生示波器阴极射线管结构示意图仪器名称：示波器

型号：COS5100系统运行时，数以10亿计的电子就将从这条加速管中以接近光速冲进储存环中发生碰撞北京正负电子对撞机加速器的起点

1牛顿第二定律的表达式？2动能定理的表达式？3平抛运动的相关知识点。4电场力做功的计算公式？复习提问：

一个电子的质量为0.91×10-30kg,电荷量e=1.6×10-19C，当它位于E=5×104V/m的电场中时:受到的重力G为多大？受到的电场力F为多大？F/G=？你会发现什么？G=mg=9×10-30NF/G=1×1015F=qE=8×10-15N

电子、质子、离子等微观带电粒子所受重力一般远小于电场力，重力可以忽略（有说明或暗示除外）。注意：忽略粒子的重力并不是忽略粒子的质量3、某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗示或运动状态来判定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，除非有说明或明确的暗示以外，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。除非有说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。带电粒子在匀强电场中运动情况：受到恒定的电场力受力情况：

做匀变速运动一.带电粒子在电场中的加速用牛顿运动定律分析用动能定理分析E1（加速电压）qUm+_带电粒子的加速

d1、受力分析:

水平向右的电场力

F＝Eq=qU/dF2、运动分析:初速度为零，加速度为a=qU/md的向右匀加速直线运动。解法一运用运动学知识求解解法二运用能量知识求解粒子加速后的速度只与加速电压有关初速度不为零呢？思考题如两极板间不是匀强电场该用何种方法求解？为什么？

由于电场力做功与场强是否匀强无关，与运动路径也无关，第二种方法仍适用！解:根据动能定理得:

例题1：炽热的金属丝可以发射电子。在金属丝和金属板间加以电压U=2500V，发射出的电子在真空中加速后，从金属板的小孔穿出。电子穿出时的速度有多大？设电子刚离开金属丝时的速度为零。

结论：由于电场力做功与场强是否匀强无关，与运动路径也无关，所以在处理电场对带电粒子的加速问题时，一般都是利用动能定理进行处理。例2：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AC

1、下列粒子由静止经加速电压为U的电场加速后，

哪种粒子动能最大（）哪种粒子速度最大（）

A．质子11H．B.氘核12H．C.α粒子24He．D.钠离子（Na+）

例与练与电量成正比与比荷平方根成正比CA2、如图所示，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，以极小的初速度由小孔进入电场，当M、N间电压为U时，粒子到达N板的速度为v，如果要使这个带电粒子到达N板的速度为2v

，则下述方法能满足要求的是（）

A、使M、N间电压增加为2U

B、使M、N间电压增加为4U

C、使M、N间电压不变，距离减半

D、使M、N间电压不变，距离加倍

例与练MNUd+v与电压平方根成正比B3、如图所示的电场中有A、B两点，A、B的电势差UAB＝100V，一个质量为m=2.0×10-12kg、电量为q=-5.0×10-8C的带电粒子，以初速度v0=3.0×103m/s由A点运动到B点，求粒子到达B点时的速率。（不计粒子重力）例与练A-v0Bq为负4、如图所示，A、B为平行金属板电容器，两板间的距离为d，在A板的缺口的正上方距离为h的P处，有一静止的、质量为m、带电量为+q的液滴由静止开始自由落下，若要使液滴不落在B板上，两板间的电压U至少为多大？两板间场强E至少为多大？例与练mgmgqE对全过程由动能定理：

ld+-----------+++++++++Uv0q、m二.带电粒子在电场中的偏转实验录像：用阴极射线管演示带电粒子在电场中的偏转

ld+-----------+++++++++++Uv0q、mF+vv0vyyθ偏转角侧移二.带电粒子在电场中的偏转试根据类平抛运动的知识，推导偏移量y和偏转角θ1.受力分析：粒子受到竖直向下的静电力F＝Eq=qU/d。2.运动规律分析:粒子作类平抛运动。x方向：匀速直线运动Y方向：加速度为的匀加速直线运动。

v

v0vyΦ

3.x方向

4.y方向

5、离开电场时的偏转角度的正切：

y

v0vy

Fv++++++------v0Y

dUY′

q

L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

例题2.如图,

两个相同极板Y于Y’的长度l=6.0cm,相距d=2cm,极板间的电压U=200V.一个电子沿平行于板面的方向射入电场中,射入时的速度V0=3.0×107m/s.求电子射出电场时沿垂直于板面方向偏移的距离y和偏转的角度θ?

解:电子进入偏转电场后,在竖直方向做初速度为零的匀加速直线运动.加速度所以偏移距离所以偏移角度水平方向做匀速直线运动

L三、加速和偏转一体++++++------φvv0vy+_U1U2v0-qmy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。vvyy

L++++++------φv0+-U1U2v0-qm思考题

例4：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U1

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，

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沿电场方向的偏移量和偏转角的正切值。

l++++++------u1dv0

求：例5：一束电子流经U=5000V的电压加速后，在距两极板等间距处垂直进入平行板间的匀强电场中，若两板间距d=1.0cm，板长l=5.0cm，那么，要使电子能从平行板间飞出，两个板之间的电压最多能加多少？四、示波器的原理1.示波器作用：是一种用来观察电信号随时间变化的电子仪器。2.它的核心部件是示波管：由电子枪、偏转电极和荧光屏组成，管内抽成真空。产生高速飞行的电子束待显示的电压信号锯齿形扫描电压使电子沿Y方向偏移使电子沿x方向偏移四、示波器的原理2、原理（１）ＹＹ′的作用：被电子枪加速后在ＹＹ′的电场中做匀变速曲线运动，出电场后做匀速直线运动打到荧光屏上，出现亮斑，可推得在竖直方向偏移：若信号电压则如果在XX’

之间不加电压,而在YY’之间所加的电压按图所示的规律随时间变化，在荧光屏会看到什么图形？YY’X’y′随信号电压同步变化，但由于视觉暂留和荧光物质的残光特性，只能看到一条竖直的亮线X示波器图象UXt扫描电压（２）ＸＸ′的作用：同理可得亮斑在水平方向偏移随加在ＸＸ′上的电压而变化，若所加的电压为特定的周期性变化电压则亮斑在水平方向来回运动－－扫描，如果扫描电压变化很快，亮斑看起来为一条水平的亮线．示波器图象YY’X’X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？XYOABCDEFABCDEFABOCt1DEFt2如果信号电压是周期性的，并且扫描电压与信号电压的周期相同，就可以在荧光屏上得到待测信号在一个周期内随时间变化的稳定图象XYY’X’UXt示波器图象

例6

如图是示波管的原理图，它是由电子枪、竖直偏转电极YY′、水平偏转电极XX′和荧光屏组成，电子枪发射的电子打在荧光屏上将出现亮点，若亮点很快移动，由于视觉暂留原因，能在荧光屏上看到一条亮线。

（1）如果只在偏转电极YY′上加上如图②所示的电压Uy=Umsinωt，在荧光屏图③上画出所观察到的亮线的形状（设T很小）（2）如果只在偏转电极XX′上加上图④所示电压，试在图⑤上画出所观察到的亮线的形状。（3）如果在YY′和XX′上同时加上上述电压，试在图⑥上画出所观察到的亮线的形状。课堂小结：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类似平抛运动的分析方法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

例1.静止的电子在加速电压U1的作用下从O经P板的小孔射出,又垂直进入平行金属板间的电场,在偏转电压U2的作用下偏转一段距离.现使U1加倍,要想使电子的运动轨迹不发生变化,应该（）A.使U2加倍B.使U2变为原来的4倍C.使U2变为原来的倍D.使U2变为原来的1／2倍·U1U2POA要使电子的轨迹不变,则应使电子进入偏转电场后,任一水平位移x所对应的侧移距离y不变.①②解：电子先经加速电场加速后进入偏转电场做类平抛运动.联立①②两式可得电子的偏移量③由此选项A正确．例2．电子在电势差为U1的加速电场中由静止开始运动,然后射入电势差为U2的两块平行板间的匀强电场中,在满足电子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Φ变大的是（）·U1U2eA.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B解：电子先经加速电场加速①后进入偏转电场做类平抛运动.电子离开电场时的偏转角②联立①②两式得③故选项B正确．平抛运动不是分解速度，就是分解位移。例3．一束电子流在经U1＝5000V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，若两板间距d＝1.0cm，板长L＝5.0cm，那么，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？dv0·UL解：电子在加速电场中加速过程中①②电子在偏转电场中做类平抛运动过程中联立①②两式可得两个极板上所加电压的最大值瞬时速度是联系两个过程的桥梁。例4．一根粗细均匀的直杆，竖直固定在水平面上，置于竖直向上的匀强电场中，场强为E，杆上套着一个质量为m、电量为-q的小球，小球在杆上滑动时受到的摩擦力为f，小球在高出水平面h的A处以初速度v0竖直向上弹出，设竖直杆足够长，小球与水平面碰撞时无能量损失，小球与杆、水平面绝缘.求小球向上的最大位移X以及最大的路程s。AEV0h解⑴小球受重力、摩擦力和电场力作用向上做匀减速直线运动，根据动能定理⑵小球最终停在水平面上，在整个过程中，根据动能定理小球向上运动的最大位移所以小球运动的最大路程TtuOU-UAB例5．有一对长为L、相距为d的水平放置的金属板A、B，在两极板间加如图所示的交变电压。t=0时，一正离子以速度v0从d/2处平行于金属板进入电场，然后从电场中飞出。⑴.为保证正离子在d/2处离开电场，则交变电压频率应满足什么条件？⑵.欲使正离子离开电场时速度与初速度相同，交变电压的频率应满足什么条件？解：⑴要使正离子从d/2处离开电场，要求它在竖直方向的分运动的位移为零．要求正离子在电场中运动的时间为交变电压的周期的整数倍．⑵要使正离子离开电场时的速度与初速度相同，要求它在竖直方向的分运动的速度为零．要求正离子在电场中运动的时间为交变电压的半个周期的整数倍．正离子在垂直于两板方向做机械振动这样周期性运动。1、下列粒子由静止经加速电压为U的电场加速后，

哪种粒子动能最大（）哪种粒子速度最大（）

A、质子B、电子

C、氘核D、氦核

强化练习与电量成正比与比荷平方根成正比DB2、如图所示，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的质子，以极小的初速度由小孔进入电场，当M、N间电压为U时，粒子到达N板的速度为v，如果要使这个带电粒子到达N板的速度为2v

，则下述方法能满足要求的是（）

A、使M、N间电压增加为2U

B、使M、N间电压增加为4U

C、使M、N间电压不变，距离减半

D、使M、N间电压不变，距离加倍MNUd+v与电压平方根成正比B强化练习3、如图所示的电场中有A、B两点，A、B的电势差UAB＝100V，一个质量为m=2.0×10-12kg、电量为q=-5.0×10-8C的带电粒子，以初速度v0=3.0×103m/s由A点运动到B点，求粒子到达B点时的速率。（不计粒子重力）A-v0Bq为负强化练习4、质量为m、带电量为q的粒子以初速度v从中线垂直进入偏转电场，刚好离开电场，它在离开电场后偏转角正切为0.5，则下列说法中正确的是

A、如果偏转电场的电压为原来的一半，则粒子离开电场后的偏转角正切为0.25B、如果带电粒子的比荷为原来的一半，则粒子离开电场后的偏转角正切为0.25C、如果带电粒子的初速度为原来的2倍，则粒子离开电场后的偏转角正切为0.25D、如果带电粒子的初动能为原来的2倍，则粒子离开电场后的偏转角正切为0.25√√√强化练习5、质子(质量为m、电量为e)和二价氦离子(质量为4m、电量为2e)以相同的初动能垂直射入同一偏转电场中，离开电场后，它们的偏转角正切之比为

，侧移之比为

。

与电量成正比与电量成正比2:12:1强化练习6、三个电子在同一地点沿同一直线垂直飞入偏转电场，如图所示。则由此可判断（）

A、b和c同时飞离电场

B、在b飞离电场的瞬间，a刚好打在下极板上

C、进入电场时，c速度最大，a速度最小

D、c的动能增量最小，

a和b的动能增量一样大

强化练习析与解6、三个电子在同一地点沿同一直线垂直飞入偏转电场，如图所示。则由此可判断（）

A、b和c同时飞离电场

B、在b飞离电场的瞬间，a刚好打在下极板上

C、进入电场时，c速度最大，a速度最小

D、c的动能增量最小，

a和b的动能增量一样大

√√强化练习7、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变小强化练习析与解对加速过程由动能定理：对偏转过程由偏转角正切公式：与粒子的电量q、质量m无关8、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，则它们（）

A、侧移相同

B、偏转角相同

C、到达屏上同一点

D、到达屏上不同点与粒子的电量q、质量m无关强化练习9、试证明：带电粒子垂直进入偏转电场，离开电场时就好象是从初速度所在直线的中点沿直线离开电场的。

θx强化练习10、如图所示，有一电子(电量为e、质量为m)经电压U0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U，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。强化练习析与解电子离开电场，就好象从中点沿直线离开的：θ对加速过程由动能定理：11、质量为1×10-25kg、电量为1×10-16C的带电粒子以2×106m/s速度从水平放置的平行金属板A、B中央沿水平方向飞入板间，如图所示。已知板长L＝10cm，间距d＝2cm，当AB间电压在

范围内时，此带电粒子能从板间飞出。v0+++++-----强化练习v0+++++-----θ析与解对偏转过程由偏转角正切公式：或对偏转过程由侧移公式：12、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？UxtOt1t2强化练习13、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？UxtOt1t2XYO0<t<t1t1<t<t2强化练习14、真空室中电极K发出电子（初速不计），经过电压为U1的加速电场后，由小孔S沿水平金属板A、B间的中心线射入板中，板长L，相距为d，在两板间加上如图乙所示的正弦交变电压，前半个周期内B板的电势高于A板的电势，已知电子的质量为m，带电量为e，不计电子重力，求：（1）电子进入AB板时的初速度；（2）要使所有的电子都能离开AB板，图乙中电压的最大值U0需满足什么条件？（3）在荧光屏上会看到什么图形？强化练习设电子进入AB板时的初速度为v0设电子在偏转电压为U0时进入AB板间析与解如图所示，A、B为两块竖直放置的平行金属板，G是静电计，电键K合上后，静电计指针张开一个角度。下述哪些做法可使指针张角增大？()A、使A、B两板靠近些；B、使A、B两板正对面积错开些；C、断开K后，使B板向右平移拉开一些；D、断开K后，使A、B正对面错开些。CD例1例2AD平行板电容器下板接地，两板与电源相连，b为正中央的点，将不带电的厚金属板插入两板正中间的如图所示位置后，a、b、c三点场强及电势变化情况为：()A、E=E且均增大，E减为零；B、U>U>U，且三点电势均减小；C、E=E且不变，E减为零；D、U>U>U，且U减小，U不变，U增大。如图所示，在平行板电容器正中有一个带电微粒。K闭合时，该微粒恰好能保持静止。在①保持K闭合；②充电后将K断开；两种情况下，各用什么方法能使该带电微粒向上运动打到上极板？A.上移上极板M

B.上移下极板N

C.左移上极板M

D.把下极板N接地KMN答案：①选B，②选C。例3例4传感器是把非电学里（如速度、温度、压力等）的变化转换成电学里变化的一种测定液面高度的电容式传感器的示意图，金属芯线与导电液体形成一个电容器，从电容C大小的变化就能反映液面的升降情况，两者的关系是（）

A．C增大表示h增大

B．C增大表示h减小

C．C减小表示h减小

D．C减小表示h增大导电液体金属芯线电介质AC在点电荷＋Q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，已知质子和α粒子的电性相同，带电量之比为1:2，质量之比为1:4，则到达B点时，它们的速度大小之比为多少？QAB解：质子和α粒子从A到B运动过程中，分别应用动能定理得①②联立①②两式可解出它们到达B点时的速度大小之比为··例5：练习一：

A板的电势UA＝0，B板的电势UB随时间的变化规律如图所示。则()

A.若电子是在t＝0时刻进入的，它将一直向B板运动

B.若电子是在t＝T/8时刻进入的，它可能时而向B板运动，时而向A板运动,最后打在B板上

C.若电子是在t＝3T/8时刻进入的，它可能时而向B板运动，时而向A板运动,最后打在B板上

D.若电子是在t＝T/2时刻进入的，它可能时而向B板、时而向A板运动t/s

UB

/v0U0-U0BAAB在平行金属板A、B之间加如图所示的交变电压，其频率为f，t=0时刻A板处有一个质量为m、电量为q的正离子从静止开始向B板运动，重力忽略不计，求：为使离子到B板时的速度最大，A、B之间的距离d应满足什么条件？uOU-UtAB解：要使正离子到达B板的速度最大，需要正离子在电场中始终做加速运动，应满足因此AB之间的距离应满足练习二：例6电子在电势差为U1的加速电场中由静止开始运动,