10.5 带电粒子在电场中的运动（原卷版）

10.5带电粒子在电场中的运动——划重点之高一暑假预习强化精细讲义知识点1：带电粒子在电场中的加速1.用运动观点分析带电粒子沿与电场线平行的方向进入匀强电场，受到的电场力的方向与运动方向在同一直线上，做匀加(减)速直线运动，即在匀强电场中可利用牛顿第二定律结合运动学公式分析.运用的公式有：，v=v0+at，，2.用功能观点分析粒子只受电场力作用，电场力做的功即为合外力做的功，故粒子动能的变化量大小等于电势能的变化量大小。带电粒子经过电势差为U的电场加速后，由动能定理,则带电粒子的速度,若粒子的初速度为零，则带电粒子的速度。带电粒子的重力是否可忽略的条件重力场中的有质量的物质都要受到重力的作用，只是带电粒子受到的重力远小于静电力，通常可以忽略重力的影响.（1）对于质量很小的带电粒子，如电子、质子、α粒子、离子等，虽然它们也受到重力的作用，但重力远小于电场力，可以忽略不计.对于带电粒子，若无说明或暗示，一般不计重力；（2）带电颗粒：如尘埃、液滴、油滴、小球等，若无说明或暗示，一般要考虑重力；（3）平衡问题一般要考虑重力；（4）即使题目中给出了带电粒子的质量，也不一定需要求出重力；不管是物体还是粒子，在一定条件下都可看成质点；只要是实物粒子，都有质量，不能忽略。【典例1】如图所示，两平行金属板带有等量异种电荷，极板与外电路断开，一电子从O点沿垂直极板方向射出，最远能达到A点，然后返回。不计电子的重力，若电子从O点射出的初速度不变，将右极板向右平移一小段距离，则（）A．电子最远能达到A点右侧某点 B．电子最远不可能再达到A点C．电子返回O点所用时间不变 D．电子返回O点时速度会变小【典例2】如图甲所示，在光滑水平面上O点处有带正电的绝缘小物块处于静止状态，零时刻开始，加如图乙所示的水平电场（以水平向右为正方向），物块在T2时刻到达A点，速度有为vA；T时刻恰好回到出发点O，速度大小为A．E1=E0 B．E1=3E0 【典例3】A、B是电场中的一条电场线，若将一个带负电的点电荷由A点静止释放，它在沿电场线从A向B运动过程中的v−t图像如图所示，A、B两点的电势φ和场强E的大小关系是（）A．φA<φB，EA<EB B．φA<φB，EA>EBC．φA>φB，EA>EB D．φA>φB，EA<EB【典例4】（多选）如图所示的直线加速器由沿轴线分布的金属圆筒（又称漂移管）A、B、C、D、E组成，相邻金属圆筒分别接在电源的两端。质子以初速度v0从O点沿轴线进入加速器，质子在金属圆筒内做匀速直线运动且时间均为T，在金属圆筒之间的狭缝被电场加速，加速时电压U大小相同。质子电量为e，质量为mA．MN所接电源的极性应周期性变化B．金属圆筒的长度应与质子进入圆筒时的速度成正比C．质子从圆筒E射出时的速度大小为8eUD．圆筒E的长度为T知识点2：带电粒子在匀强电场中的偏转1.运动情况质量为m、电荷量为q的带电粒子，以初速度v0平行两极板进入匀强电场中，两极板长为l,极板间距离为d、电压为U.不考虑粒子的重力且忽略电容器的边缘效应，带电粒子仅受恒定的电场力.粒子的运动特点和平抛运动相似，即带电粒子在电场中做类平抛运动.2.处理方法将粒子的运动分解为沿初速度方向的匀速直线运动和沿电场力方向的匀加速直线运动.根据运动的合成与分解的知识分析.（1）粒子沿初速度方向做匀速直线运动，穿过两极板的时间。（2）粒子沿电场力方向做初速度为零的匀加速直线运动，加速度。（3）沿初速度方向：速度：vx=v0，位移：l=v0t（4）沿电场力方向：速度：，位移：（5）粒子离开电场时的速度偏转角θ满足（6）粒子离开电场时位移与初速度方向的夹角α满足3.几个常用推论(1)tanθ=2tanα.联立上边(5)(6)中公式可推出。(2)粒于从偏转电场中射出时，其速度方向的反向延长线与初速度方向的延长线交于沿初速度方向分位移的中点，即粒子好像从该中点处沿直线飞离电场一样.(3)不同的带电粒子、电性相同，不计重力，由静止开始先在同一电场中加速，又在同一电场中偏转，射出电场时粒子的偏移量和偏转角相同，与粒子的带电荷量和质量无关，即运动轨迹相同。(4)若粒子以相同的初动能Ek进入同一个偏转电场，只要电荷量相同，不论质量是否相同，偏转距离y和偏转角θ均相同.重难点1：带电粒子在电场中做类平抛运动的问题如图所示，带电粒子经加速电场U1加速，再经偏转电场U2偏转后，需再经历一段匀速直线运动才会打到荧光屏上而显示亮点P,如图所示.1.确定最终偏移距离OP的两种方法方法1：方法2：2.确定粒子经偏转电场后的动能(或速度)的两种方法方法1:方法2：【典例5】如图所示，比荷相同、重力不计的a、b两个带电粒子，从同一位置水平射入竖直向下的匀强电场中，a粒子打在B板的a′点，b粒子打在B板的bA．a、b均带负电B．a的初速度一定小于b的初速度C．a的运动时间一定小于b的运动时间D．该过程中a所受电场力做的功一定大于b的【典例6】（多选）如图所示，在竖直平面xOy内存在大小、方向均未知的匀强电场。一质量为m的小球从y轴上P点以水平速度v进入第一象限，速度方向沿x轴正方向，经过x轴上Q点时的速度大小也为v，方向与x轴正方向夹角为37°。已知sin37∘=0.6，cos37∘=0.8，重力加速度大小为A．所受电场力的最小值为10B．速度的最小值为4C．动能与电势能之和一直增大D．水平位移与竖直位移的大小之比为2：1【典例7】（多选）如图所示，竖直放置的、带等量异种电荷的两正对平行金属板M、N间存在匀强电场，金属板板长为L（不考虑边界效应）.t=0时刻，位于M板中点处的粒子源发射两个速度大小为v0的相同粒子，垂直M板向右发射的粒子，到达N板时速度大小为2v0；平行M板向下发生的粒子，刚好从NA．两个粒子带正电B．两个粒子的动能增加量不相等C．两个粒子在金属板M、N间运动的时间不相等D．两个粒子在电场中加速度相同，且加速度a=【典例8】如图所示，平行板电容器水平放置，电容为C，极板间距离为d，上极板正中有一小孔，初始时不带电。距小孔正上方高h处不断有质量为m，电荷量为+q的小液滴由静止滴落，当带电液滴接触到下极板后会把电量全部传给极板，直到液滴不能到达下极板时停止释放液滴（空气阻力忽略不计，极板间电场可视为匀强电场，重力加速度为g）。求：（1）小液滴到达小孔处的速度；（2）电容器所带电荷量的最大值；（3）最后滴下的液滴从开始下落到离开上极板的时间。【典例9】XCT扫描是计算机X射线断层扫描技术的简称，可用于对多种病情的探测。图甲是某种XCT机主要部分的剖面图，其产生X射线部分的示意图如图乙所示。图乙中M、N之间有一电子束的加速电场，虚线框内为偏转元件中的匀强偏转场S；经调节后电子从静止开始沿带箭头的实线所示的方向前进，打到水平圆形靶台上的中心点P，产生X射线（如图中带箭头的虚线所示）。已知电子的质量为m，带电荷量为e，MN两端的电压为U0，偏转场区域水平宽度为L0，竖直高度足够长，MN中电子束距离靶台竖直高度为H，电子束射出偏转场（1）求电子刚进入偏转场时的速度大小；（2）求匀强电场的电场强度E的大小；（3）求P点距离偏转场右边界的水平距离L的大小。【典例10】如图所示，一质量为m=1×10−20kg、带电量为q=+1×10−10C的粒子，从静止开始被加速电场（图中未画出）加速后从E点沿中线水平方向飞入平行板电容器，初速度v0=3×106m/s，粒子飞出平行板电场后经过无电场区域后，打在垂直于中心线EF的荧光屏PS上。已知两平行金属板水平正对且板长均为l=6（1）加速电场的电压U；（2）粒子经过界面MN时的速度；（3）粒子打到荧光屏PS时偏离中心线EF的距离Y。

知识点3：示波管的原理1.示波器的构成：示波器是用来观察电信号随时间变化的仪器，其核心部件是示波管，它由电子柜、偏较电极和荧光屏组成，如图所示。2.工作原理(1)如果在偏转电极XX'和YY'之间都没有加电压，则电子束从电子枪射出后沿直线传播，打在荧光屏中心，在那里产生一个亮斑。(2)如果在偏转电极XX'之间不加电压，在YY'之间加不变的电压，则电子枪射出的电子沿Y方向向上或向下偏转到荧光屏上某一点，产生一个亮斑，如图所示.(3)如果在偏转电极XX'之间加不变的电压，在YY'之间不加电压，则电子枪射出的电子沿X方向向里或向外偏转到荧光屏上某一点，产生一个亮斑，如图所示.(4)YY'偏转电极上加的是待显示的信号电压.XX'偏转电极通常接入仪器自身产生的锯齿形电压，叫作扫描电压.若所加扫描电压和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像了.(1)电子在偏转电场中向正极板偏转，在荧光屏上打出的亮斑位置随电压的变化而变化.(2)要研究的信号电压加在竖直偏转极板上，水平偏转极板上的电压是扫描电压.(3)电子打在荧光屏上将出现亮斑，若电子打在屏上的位置快速移动，由于视觉暂留效应，能在荧光屏上看到一条亮线.3.示波管波形（1）仅在XX'之间或YY'之间加电压加电压的电极X极电势高X'极电势高XX'间加不变的电压，YY'间不加电压加电压的电极Y极电势高Y'极电势高XX'间不加电压，YY'间加不变的电压（2）在YY'之间加周期性变化的电压电压亮斑位置描述YY'间所加电压如图所示，XX'间不加电压0<t<t1时，电子沿Y方向向上偏移t₁<t<t₂时，电子沿Y'方向向下偏移YY'间所加电压如图所示，XX'间加不变的电压(X电极的电势高于X')0<t<t1时，电子沿Y方向向上偏移，沿X方向向里偏t₁<t<t₂时，电子沿Y'方向向下偏移，沿X方向向里偏【典例11】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'应带负电C．极板Y应带正电 D．极板Y'应带正电【典例12】示波器可以用来观察电信号随时间变化的情况，YY'偏转电极上加的是待测信号电压，XX'偏转电极接入仪器自身产生的锯齿形扫描电压。若调节扫描电压周期与信号电压周期相同，在荧光屏上可得到待测信号在一个周期内随时间变化的稳定图像。下列说法正确的是（A．电子在示波管内做类平抛运动B．待测信号电压不会改变电子的动能C．若荧光屏上恰好只出现一个周期内的正弦图像，说明待测信号随时间按正弦规律变化D．若荧光屏上恰好只出现一个周期内的正弦图像，把扫描电压的周期变为原来的一半，荧光屏上会出现两个周期内的正弦图像【典例12】有一种电子仪器叫作示波器，可以用来观察电信号随时间变化的情况。示波器的核心部件是示波管，图甲是它的原理图。它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成，管内抽成真空。电子枪的作用是产生高速飞行的一束电子。如果在电极YY'之间所加的电压按图乙所示的规律变化，在电极XX'之间所加的电压按图丙所示的规律变化，则在荧光屏上会看到的图形是选项图中（）A．B．C．D．【典例13】（多选）示波器是一种常见的电学仪器，可以在荧光屏上显示出被检测的电压随时间变化的情况。示波器的内部构造简化图如图所示，电子经电子枪加速后进入偏转电场，最终打在荧光屏上。下列关于所加偏转电压与荧光屏上得到图形的说法中正确的是（）A．如果只在XX′B．如果只在YY′C．如果在YY′、XXD．如果在YY′，XX重难点2：带电粒子在交变电场中运动的问题带电粒子在交变电场中运动时，由于电场发生变化，粒子所受电场力也发生变化，其加速度、速度、位移等都会发生相应的变化，从而出现粒子加速、减速或者往返运动.通常只讨论电压的大小不变、方向发生周期性变化(如方波)且不计粒子重力的情形。1.常见的类型(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(一般根据交变电场的特点分段研究).(3)粒子做偏转运动(一般根据交变电场的特点分段研究).2.常用的分析方法(1)在两个相互平行的金属板间加交变电压时，两板中间便可获得交变电场.此类电场从空间看是匀强电场，即同一时刻，电场中各个位置处电场强度的大小、方向都相同；从时间看是变化的，即电场强度的大小、方向都随时间的变化而变化.①当粒子平行于电场方向射入时，粒子做直线运动，其初速度和受力情况决定粒子的运动情况，粒子做周期性的运动；②当粒子垂直于电场方向射入时，沿初速度方向的分运动为匀速直线运动，沿电场方向的分运动具有周期性.(2)研究带电粒子在交变电场中的运动，关键是根据电场变化的特点，利用牛顿第二定律正确地判断粒子的运动情况.根据电场的变化情况，分段求解带电粒子运动的末速度、位移等.(3)对于锯齿波和正弦波等电压产生的交变电场，一般来说题中会直接或间接提到“粒子在其中运动时电场为恒定电场”，故带电粒子穿过电场时可认为是在匀强电场中运动。做好两个分析(受力分析和运动分析),抓住粒子的运动具有周期性、空间上有的具有对称性的特征，求解粒子运动过程中的速度、位移等，并确定与物理过程相关的临界条件.【典例14】（多选）如图甲所示，两平行金属板A、B的板长和板间距均为d，两板之间的电压随时间周期性变化规律如图乙所示。一不计重力的带电粒子以速度v0从O点沿板间中线射入极板之间，若t=0时刻进入电场的带电粒子在t=TA．t=0时刻进入电场的粒子在t=T2B．t=T4时刻进入电场的粒子在t=C．t=T4D．t=T【典例15】（多选）如图甲是一对长度为L的平行金属板，板间存在如图乙所示的随时间周期性变化的电场，电场方向与两板垂直。在t=0时刻，一带电粒子沿板间的中线OO'垂直电场方向射入电场，2t0时刻粒子刚好沿下极板右边缘射出电场。不计粒子重力。则（）A．粒子带正电B．粒子在平行板间一直做曲线运动C．粒子射入电场时的速度大小为LD．若粒子射入电场时的速度减为一半，射出电场时的速度垂直于电场方向【典例16】如图甲所示，真空中有一电子枪连续不断且均匀的发出质量为m、电荷量为e、初速度为零的电子经电压大小为U1=2mL2eT2的直线加速电场加速，由小孔穿出加速电场后，沿两个彼此绝缘且靠近的水平金属板A、B间的中线射入偏转电场。A、B两板距离为d、板长均为L，两板间加周期性变化的电势差UAB（1）电子从加速电场U1飞出后的水平速度v（2）t=3T4时射入偏转电场的电子离开偏转电场时距两板间中线的距离重难点3：带电体在等效场中的运动等效场一般说的是电场和重力场共存的情况，分析这类问题时可以等效看成带电体受一个合场力作用，也可以单独分析.带电粒子在等效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静电力；从处理方法上仍旧可利用力学中的规律分析：例如选用平衡条件、牛顿运动定律，动能定理、功能关系，能量守恒定律等.1.带电体在等效场中有约束情况下的运动带电体在等效场中受轻杆、轻绳、圆环、轨道等约束的情况下，常见的运动形式有直线运动和圆周运动、解题时要通过受力分析明确变力、恒力做功情况，运用动能定理、能量守恒定律结合牛顿运动定律求解.类型一：如果带电体在等效场中受轨道、支撑面、轻绳或轻杆等有形的约束时，做变速直线运动、解题时只要从受力分析入手，明确变力、恒力及做功等情况，就可用动能定理、牛顿运动定律、运动学相关知识进行求解.类型二：若带电体运动的空间存在轨道、支撑面、轻绳、轻杆等有形的约束时，带电体在等效场中做匀变速圆周运动，一般应用牛顿运动定律和动能定理求解.2.带电体在等效场中无约束情况下的运动在带电体只受重力和电场力的情况下：若电场力和重力平衡，则带电体做匀速直线运动；若电场力和重力不平衡，则带电体将做直线或曲线运动，用动能定理求解.3.电场力、重力都是恒力时常用的方法是等效“重力”法将重力与电场力进行合成，合力F合等效为“重力”,等效为“重力加速度”,F合的方向等效为“重力”的方向.若电场力的方向与重力方向一致，等效重力场的重力加速g'=g+，g'的方向与重力mg和电场力qE合力的方向一致；若电场力与重力方向垂直，合力的方向与重力mg方向的夹角为θ,则g'可表示为。【典例17】（多选）如图所示的坐标系中，x轴水平向右，质量为m=0.5kg、带电量为q=＋10-4C的小球从坐标原点O处，以初速度v0=3m/s斜向右上方抛出，进入斜向右上方场强为E=5×104V/m的匀强电场中，E与x轴正方向的夹角为30°，v0与E的夹角为30°，重力加速度取10m/s2，下列说法正确的是（）A．小球的加速度的大小为102m/sB．小球的加速度的大小为10m/s2C．若小球能运动到x轴上的P点，则小球在P点的速度大小为39m/sD．O、P两点间的电势差为63【典例18】（多选）如图所示，在竖直平面内有一电场强度为E的匀强电场，电场的等势面如图中实线所示，与水平方向夹角为37°。一个质量为m，电荷量为+q的小球在A点以初速度v0竖直上抛，运动轨迹如图中虚线所示，B点是轨迹的最高点。已知重力加速度为g，小球的电荷量q=A．A点电势低于B点电势B．A、B两点的高度差为5C．A、B两点的电势差为13mD．小球再次回到抛出点等高位置过程电势能的减少量等于动能的增加量【典例19】如图所示，一内壁光滑的细管弯成半径为R=0.1m的半圆形轨道CD，竖直放置，其内径略大于小球的直径，水平轨道与竖直半圆轨道在最低点C点平滑连接。置于水平轨道上的弹簧左端与竖直墙壁相连，C的左侧有水平向右E=2×104N/C的匀强电场。将一个带电量q=3×10−6C，质量为m=4×10−2kg的绝缘小球放在弹簧的右侧后，用力水平向左推小球而压缩弹簧至A处使弹簧具有弹性势能Ep=0.1J（1）小球运动到轨道最低处C点时对轨道的压力的大小；（2）水平轨道的动摩擦因数μ。【典例20】如图所示，一绝缘细圆环半径为r，环面处于竖直面内，匀强电场与圆环平面平行且水平。环上穿有一电量为+q、质量为m的小球，可沿圆环做无摩擦的圆周运动，小球所受电场力和重力大小相等。小球经过A点时速度的方向恰与电场垂直。设地球表面的重力加速度为g，则：（1）若小球经过A点时，圆环与小球间无力的作用，小球经过A点时的速度大小vA是多大？（2）要使小球能运动到与A点对称的B点时，小球在A点速度至少是多大？（3）在保证小球恰好做圆周运动的前提下，小球对轨道的最大压力是多大？

一、单选题1．在与纸面平行的匀强电场中，建立如图甲所示的直角坐标系，a、b、c、d是该坐标系中的4个点，已知φa=8V、φb=6V、φdA．① B．② C．③ D．④2．随着环保理念的深入，废弃塑料分选再循环利用可减少对资源的浪费。其中静电分选装置如图所示，两极板带上等量异种电荷仅在板间形成匀强电场，漏斗出口与极板上边缘等高，到极板间距相等，a、b两类塑料颗粒离开漏斗出口时分别带上正、负电荷，经过分选电场后a类颗粒汇集在收集板的右端，已知极板间距为d，板长为L，极板下边缘与收集板的距离为H，两种颗粒的荷质比均为k，重力加速度为g，颗粒进入电场时的初速度为零且可视为质点，不考虑颗粒间的相互作用和空气阻力，在颗粒离开电场区域时不接触极板但有最大偏转量，则（）A．右极板带正电B．颗粒离开漏斗口在电场中做匀变速曲线运动C．两极板间的电压值为gkD．颗粒落到收集板时的速度大小为2g(L+H)+二、多选题3．静电植绒产品具有立体感强、耐磨、阻燃、隔音、保暖等特点.如图所示为植绒流程示意图，正电金属板与负电金属网间有60kVA．绒毛在飞向布匹的过程中，电场力做正功B．绒毛运动经过处各点的电势逐渐降低C．若仅增大正电金属板与负电金属网之间的电压，绒毛到达布匹时的速率将增大D．若仅增大正电金属板与负电金属网之间的距离，绒毛到达布匹表面时间将减小4．如图所示，一带电微粒从A点射入水平方向的匀强电场中（实线代表电场线，电场方向未知），微粒恰沿直线AB运动，AB与水平方向夹角θ=45°，已知带电微粒的质量为m，电荷量大小为q，A与B相距L，重力加速度大小为g。下列说法正确的是（）A．从A到B，带电微粒做匀减速直线运动B．若电场方向向左，则带电微粒带负电C．从A到B的过程中，带电微粒的重力势能增加、机械能增加D．要使带电微粒能从A点运动到B点，其射入电场时的速度大小至少为25．如图所示，倾角为（θ=37°的斜面末端连接一段水平轨道后与竖直的光滑绝缘半圆轨道平滑连接，O为圆心，A、B为竖直直径的上、下两端点。现有一质量为m=0.3kg、带电荷量为q=+1.0×10−5C的小球（可视为质点），以大小为v0=1.8m/s的初速度从斜面上某点以垂直斜面方向向上抛出，小球恰好从半圆轨道的最高点A无碰撞飞入半圆轨道。已知整个空间存在水平向右的匀强电场，电场强度大小为E=4×A．小球在A点的速度大小为2.25m/sB．小球从抛出到A点的运动是类平抛运动C．小球第一次在半圆轨道上滑行过程中，可能会在某处脱离半圆轨道D．小球第一次在半圆轨道上滑行过程中对轨道的最大压力大小为24N6．如图甲是一对长度为L的平行金属板，板间存在如图乙所示的随时间周期性变化的电场，电场方向与两板垂直。在t=0时刻，一带电粒子