匀强电场中电势差与电场强度的关系示波管原理(教案)

§1-5匀强电场中电势差与电场强度的关系示波管原理（教案）学习目标：1.理解匀强电场中电势差与电场强度的关系UAB＝Ed，并且能够推导出这个关系式．2．会用关系式UAB＝Ed或E＝UAB/d进行有关的计算．3．理解示波管的构造及工作原理，能够处理带电粒子在电场中的加速和偏转问题．重点难点：匀强电场中E＝U/d的应用和示波管原理的理解．课前自主学案：一、匀强电场中电势差与电场强度的关系1．关系式：UAB＝Ed.2．适用条件匀强电场，d是沿电场方向两点间的距离．3．物理意义匀强电场中，两点间的电势差等于电场强度与这两点间沿电场方向的距离的乘积．二、电场强度的另一种求法1．表达式：E＝UAB/d.2．物理意义：电场强度的大小等于沿场强方向每单位距离上的电势差；沿电场线的方向电势越来越低．3．场强的另一个单位：伏特每米，符号V/m，1N/C＝1V/m.三、示波管原理1．构造及功能(1)电子枪：发射并加速电子．(2)偏转电极YY′：使电子束竖直偏转(加信号电压)；XX′：使电子束水平偏转(加扫描电压)．(3)荧光屏2．工作原理(1)电子在电场中加速电子沿与电场线平行的方向进入匀强电场，受到的静电力与运动方向在同一直线上，做匀加速直线运动，可以根据电子受到的静电力，用牛顿第二定律求出加速度，a＝eq\f(F,m)＝eq\f(qE,m)＝eq\f(qU,md).再结合运动学公式确定粒子的速度、位移等．若用功能观点分析，可以根据静电力对电子做的功，研究粒子的电势能变化，利用动能定理研究全过程中能量的转化，研究电子的速度变化、经历的位移等．①若初速度为零，则qU＝eq\f(1,2)mv2.②若初速度不为零，则qU＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,1)－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0).(2)电子在匀强电场中偏转①运动状态分析电子以速度v0垂直于电场线方向飞入匀强电场时，受到恒定的与初速度方向成90°角的静电力作用而做匀变速曲线运动．(如图)②偏转问题的处理方法：将电子的运动沿初速度方向和电场方向进行分解．沿初速度方向的分运动为匀速直线运动，满足L＝v0t.沿电场方向的分运动为初速度为零的匀加速直线运动，a＝eq\f(F,m)＝eq\f(qE,m)＝eq\f(qU,md)，离开电场时的偏转量y＝eq\f(1,2)at2＝eq\f(qUL2,2mdv\o\al(2,0)).离开电场时的偏转角为θ，则tanθ＝eq\f(vy,v0)＝eq\f(qLU,mdv\o\al(2,0)).(3)电子飞出平行金属板后做匀速直线运动电子飞出偏转电场后，不再受电场力作用，保持偏转角不变做匀速直线运动，打在荧光屏上，显出亮点．核心要点突破一、匀强电场中电势差与电场强度的关系1．匀强电场中两点间的电势差等于电场强度与这两点沿电场方向的距离的乘积．2．公式：UAB＝Ed或E＝UAB/d.3．场强、电势差两者比较物理量比较内容电场强度E电势差U定义放入电场中某一点的电荷受到的电场力跟它的电量的比值电荷在电场中两点间移动时，电场力所做的功跟电荷电量的比值定义式E＝F/qU＝W/q引入意义描述电场力的性质描述电场能的性质正负或方向矢量，正电荷受力方向为E的方向标量，正负表示两点间电势高低联系(1)对于匀强电场E＝eq\f(U,d)(2)U和E是描述电场性质的物理量，大小取决于电场本身，与F、q、W无关特别提醒：(1)公式E＝U/d或U＝Ed仅适用于匀强电场．(2)公式中的d是指电场中两点间的距离沿电场方向的投影．即时应用1.在匀强电场中，将一电荷量为2×10－5C的负电荷由A点移到B点，其电势能增加了0.1J，已知A、B两点间距为2cm，两点连线与电场方向成60°角如图所示．则：(1)在电荷由A移到B的过程中，电场力做了多少功？(2)A、B两点间的电势差为多少？(3)该匀强电场的电场强度为多大？答案：(1)－0.1J(2)5×103V(3)5×105V/m二、从电势差的角度理解电场强度1．由公式UAB＝Ed，得E＝UAB/d.2．公式适用于匀强电场电场强度的计算．3．在匀强电场中，电场强度的大小等于两点间的电势差与两点沿电场强度方向距离的比值．4．电场强度在数值上等于沿电场方向每单位距离上降低的电势．5．E＝U/d的两个重要推论(1)在匀强电场中，两长度相等且相互平行的线段的端点间的电势差相等．当线段与场强平行时，由U＝Ed可知，d相等，U相同；当线段与场强不平行时，只要沿场强方向投影的长度相等，U相同．如图所示，ABCD中，UAB＝UDC，UBC＝UAD.(2)电势随空间位置变化越快，电场强度越强．由E＝U/d可知，电场强度是电势差对空间位置的变化率，电势随空间变化的快慢，反映了电场强度的大小，场强方向是电势降落最快的方向．6．关于场强E的几个表达式公式适用范围说明E＝F/q任何电场定义式，q为试探电荷的电荷量E＝kQ/r2真空中点电荷的电场Q为场源电荷的电量，E表示跟点电荷相距r处的某点的场强E＝U/d匀强电场U为沿电场线方向上相距为d的两点间的电势差特别提醒：虽然E＝U/d仅适用于匀强电场，但对于非匀强电场，可以用它来解释等差等势面的疏密与场强大小的关系．如U一定时，E大，则d小，即场强越大，等差等势面越密．即时应用2.如图所示是一个匀强电场的等势面，每两个相邻等势面相距2cm，由此可以确定电场强度的方向和数值是(B)A．竖直向下，E＝100V/mB．水平向左，E＝100V/mC．水平向左，E＝200V/mD．水平向右，E＝200V/m三、带电粒子的加速1．常见带电粒子及受力特点电子、质子、α粒子等带电粒子在电场中受到的静电力一般远大于重力，通常情况下，重力可以忽略．2．加速(1)若带电粒子的初速度为零，经过电势差为U的电场加速后，由动能定理得qU＝eq\f(1,2)mv2，则v＝eq\r(\f(2qU,m)).(2)若带电粒子以与电场线平行的初速度v0进入匀强电场，带电粒子做直线运动，则qU＝eq\f(1,2)mv2－eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0).3．受力分析：因带电粒子(电子、质子、α粒子)受到的重力远远小于静电力，所以讨论带电粒子在电场中运动的问题时忽略重力，而带电液滴、小球、尘埃则不可忽略重力，在分析这类问题时只需求静电力与重力的合力就可以了．4．处理方法：可以从动力学和功能关系两个角度进行分析，其比较如下：两个角度动力学角度功能关系角度应用知识应用牛顿第二定律以及匀变速直线运动公式功的公式及动能定理适用条件匀强电场，静电力是恒力可以是匀强电场，也可以是非匀强电场，静电力可以是恒力，也可以是变力即时应用3.下列粒子从静止状态经过电压为U的电场加速后速度最大的是(A)A．质子eq\o\al(1,1)HB．氘核eq\o\al(2,1)HC．α粒子eq\o\al(4,2)HeD．钠离子Na＋四、带电粒子在电场中的偏转1．进入电场的方式：以初速度v0垂直于电场线方向进入匀强电场．2．受力特点：静电力大小不变，且方向与初速度v0的方向垂直．3．运动特点：做匀变速曲线运动，与力学中的平抛运动类似．4．运动规律：5．几个推论(1)粒子射出偏转电场时好像从板长l的eq\f(1,2)处沿直线射出，根据y/tanθ＝l/2.(2)位移方向与初速度方向间夹角的正切为速度偏转角正切的eq\f(1,2)，根据tanα＝eq\f(1,2)tanθ.(3)若几种不同的带电粒子经同一电场加速之后再进入同一个偏转电场，粒子的侧移位移、偏转角与粒子的q、m无关，仅取决于加速电场和偏转电场．根据y＝eq\f(l2U2,4U1d)，tanθ＝eq\f(lU2,2U1d).其中U1为加速电场的电压，U2为偏转电场的电压．即时应用4.如图所示，两金属板与电源相连接，电子从负极板边缘垂直电场方向射入匀强电场，且恰好从正极板边缘飞出．现在使电子入射速度变为原来的两倍,而电子仍从原位置射入，且仍从正极边缘飞出，则两极板的间距应变为原来的(C)A．2倍B．4倍C.eq\f(1,2)D.eq\f(1,4)课堂互动讲练类型一、电势差和电场强度关系的计算例题1平行的带电金属板A、B间是匀强电场，如图所示，两板间距离是5cm，两板间的电压是60V．试问：(1)两板间的场强是多大？(2)电场中有P1和P2两点，P1点离A板0.5cm，P2点离B板也是0.5cm，P1和P2两点间的电势差为多大？(3)若B板接地，P1和P2两点的电势各是多大？【思路点拨】公式U＝Ed中的d是沿电场方向的两点间的距离．【答案】(1)1200V/m(2)48V(3)54V6【规律总结】在E＝eq\f(U,d)中，E是矢量，U是标量，U可能是正值也可能是负值，计算场强时，电势U取绝对值，不带符号，场强的方向根据电势降落的方向判断；注意d为两点间沿场强方向的距离．变式训练1如图所示是匀强电场中的一组等势面，若A、B、C、D相邻两点间距离为2cm，A和P点间的距离为1.5cm，则该电场的场强E和P点的电势φP分别为多大？答案：eq\f(1000\r(3),3)V/m－2.5V类型二、公式E＝eq\f(U,d)在非匀强电场中的应用例题2如图所示，实线为电场线，虚线为等势线，且AB＝BC，电场中的A、B、C三点的场强分别为EA、EB、EC，电势分别为φA、φB、φC，AB、BC间的电势差分别为UAB、UBC，则下列关系中正确的有(ABC)A．φA>φB>φCB．EC>EB>EAC．UAB<UBCD．UAB＝UBC【思路点拨】公式U＝Ed在非匀强电场中可用于定性分析．【规律总结】本题涉及电场中的三个基本物理量，各个物理量都是由哪些因素确定的，它们之间又有什么关系是解决问题的关键．变式训练2如图所示,实线表示电场线，虚线表示等势线，a、b两点的电势分别为φa＝－50V，φb＝－20V，则a、b连线的中点c的电势φc应为(B)A．φc＝－35VB．φc＞－35VC．φc＜－35VD．无法判断类型三、示波管的应用例题3如图所示是示波管的原理示意图．电子从灯丝发射出来经电压为U1的电场加速后，通过加速极板A上的小孔O1射出，沿中心线O1O2进入M、N间的偏转电场，O1O2与偏转电场方向垂直，偏转电场的电压为U2，经过偏转电场的右端P1点离开偏转电场,然后打在垂直O1O2放置的荧光屏上的P2点．已知平行金属极板M、N间距离为d，极板长度为L，极板的右端与荧光屏之间的距离为L′,不计电子之间的相互作用力及其所受的重力，且电子离开灯丝时的初速度可忽略不计．(1)求电子通过P1点时偏离中心线O1O2的距离．(2)若O1O2的延长线交于屏上O3点,而P2点到O3点的距离称为偏转距离y,单位偏转电压引起的偏转距离(即y/U2)称为示波管的灵敏度．求该示波管的灵敏度．【思路点拨】求解此题应注意以下三点：(1)离开加速电场时的速度即为进入偏转电场的速度．(2)电子在偏转电场中的运动时间可据平行板方向的运动求出．(3)电子能从板间飞出的条件是偏移距离y≤eq\f(d,2).【答案】(1)eq\f(L2U2,4dU1)(2)eq\f(L,2dU1)(eq\f(L,2)＋L′)【规律总结】要正确解答本题，必须熟练掌握示波管的工作原理和类平抛运动的处理方法．变式训练3一束电子流在经U＝5000V的加速电场加速后，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．若两板间距离d＝1.0cm，板长l＝5.0cm，那么，要使电子能从平行板间飞出，两个极板上最大能加多大电压？答案：400V课后练习：1.沿着电场线方向（D）A.电场强度一定越来越大B.在电场力作用下，带电粒子一定沿着电场线方向运动C.两点之间的距离越大，则这两点之间的电势差一定越大D.负电荷沿着电场线方向移动时，电势能一定越来越大2.关于场强和电势的下列说法中，正确的是（BD）A.在电场中a、b两点间移送电荷的过程中，电场力始终不做功，则电荷所经过路径上的各点的场强一定为零B.电场强度的方向就是电势降落最快的方向C.两个等量同种电荷的电场中，从两电荷连线的中点沿连线的中垂线向外，电势越来越低，场强越来越小D.两个等量异种电荷的电场中，两电荷连线的中垂线上各点的电势均相等，而连线的中点场强最大，沿中垂线向外，场强越来越小3.对两个电量均为+q的点电荷连线中点O和中垂线上某点P正确的关系是（BC）A.U0＜Up,E0＞EpB.U0＞Up,E0＜EpC.将正电荷从o点移至p点，电场力做正功D.将正电荷从o点移至p点，电场力做负功4.对于公式E=U/d的说法中，正确的是（C）A.它适用于任何电场B.在匀强电场中，场强的数值等于每单位距离上降低的电势C.场强的另一单位伏/米，适用于任何电场D.只要测出两点的电势差和两点的距离，即可算出电场强度5.如图所示，将两个带等量异性电的点电荷，分别置于A、B两点，CD是AB连线的垂直平分线，O为其垂足，AB线上M、N两点分别与O点等距.CD线上S、T两点分别与O点等距.若定无限远处电势为零，下面说法正确的是(BD)A.M、N两点比较，场强EM=EN，方向相同；电势φM=φN≠0B.S、T两点比较，场强ΕS=ET,方向相同，电势φS=φT=0C.若M、N、S、T四点与O点均等距，则场强EM=EN=ES=ET，且方向相同D.电势差USM=UNT，且均为负值6.匀强电场的电场强度为E，在此电场中A、B、C三点构成一个直角三角形