物理：2.5《带电粒子在电场中的运动》.ppt

J2459学生示波器,阴极射线管结构示意图,2.5带电粒子在电场中的运动,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,导入新课：,这节课我们来探究带电粒子在电场中的运动。,实验引入，激发兴趣 （演示实验）,1、接通示波管电源，演示带电粒子在电 场中运动撞击气体而发出蓝色辉光，调节加 速和偏转电压，轨迹发生改变，如图所示。,2、接通示波器电源，演示荧光 屏上的正弦图像，如图所示。,新 课 教 学,教学三维目标：,一、知识与技能 1、了解带电粒子在电场中的运动只受电场力，带电粒子做匀变速运动。 2、重点掌握初速度与场强方向垂直的带电粒子在电场中的运动(类平抛运动)。 3、知道示波管的主要构造和工作原理。,二、过程与方法 培养学生综合运用力学和电学的知识分析解决带电粒子在电场中的运动。,三、情感态度与价值观 1、渗透物理学方法的教育：运用理想化方法，突出主要因素，忽略次要因素，不计 粒子重力。 2、培养学生综合分析问题的能力，体会物理知识的实际应用。,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？,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，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、带电粒子的平衡,二、带电粒子的加速,三、带电粒子的偏转,四、 加速和偏转一体,五、 示波器,带电粒子在电场中的运动,一、带电粒子的平衡：,若带电粒子在电场中所受合力为零时，即F0时，粒子将保持静止状态 或匀速直线运动状态。,例 ：带电粒子在电场中处于静止状态，该粒子带正电还是负电?,分析：带电粒子处于静止状态，F=0，Eq=mg，因为所受重力竖直向下，所 以所受电场力必为竖直向上。又因为场强方向竖直向下，所以（图一）带电粒子 带负电，（图二）带电粒子带正电。,二. 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,如图所示，在真空中有一对平行金属板，由于接上电池组而带电，两板间的电势差为U。若一个质量为m，带正电荷q的粒子，在静电力作用下由正极板向负极板运动，计算它到达负极板时的速度。,1、受力分析:,水平向右的电场力 FEq=qU/d,2、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,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！,所以,例1,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,d,U,v0,q、m,三. 带电粒子在电场中的偏转,d,U,v0,q、m,F,v,v0,vy,y,偏转角,侧移,三. 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,带电粒子在电场中的运动,三、带电粒子的偏转：（不计重力）,1、运动状态分析：,带电粒子以速度V0垂直于电 场线方向飞入两带电平行板产生 的匀强电场时，若只受电场力作 用，做匀变速曲线运动。,2、偏转问题的分析处理方法： （类似平抛运动分析方法）,（1）沿初速度方向是速度为V0的匀速直线运动；,（2）沿电场力方向是初速度为零的匀加速直线运动。,类平抛运动,与粒子比荷q/m成正比,与粒子初速度v0平方成反比,与电场的属性U、l、d有关,带电粒子在电场中的运动,三、带电粒子的偏转：（侧移距离）,与粒子比荷q/m成正比,与粒子初速度v0平方成反比,与电场的属性U、l、d有关,类平抛运动,带电粒子在电场中的运动,三、带电粒子的偏转：（偏转角）,1.加速度:,2.飞行时间:,3.侧移距离:,4.偏转角:,5.出射速度:,带电粒子的偏转类平抛运动,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3,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,四、 加速和偏转一体,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U 1 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，以速度离开电场，已知平行板长为，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 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,u1,d,v0,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？,五、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,五、示波器的原理,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,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,D,B,e/m 1840e/m e/2m 2e/4m,2、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,M,N,U,d,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UAB100V，一个质量为m=2.010-12kg、电量为q=-5.010-8C的带电粒子，以初速度v0 =3.0103m/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）,q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0.25 B、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0.25 C、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0.25 D、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,2:1,2:1,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。,x,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：,对加速过程由动能定理：,11、质量为110-25kg、电量为110-16C的带电粒子以2106m/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L10cm，间距d2cm，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,+ + + + +,- - - - -,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：,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2,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。,AD,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。在保持K闭合；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,答案：选B，选C。,例3,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（ ） AC增大表示h增大 BC增大表示h减小 CC减小表示h减小 DC减小表示h增大,AC,例4,在点电荷Q的电场中有A、B两点，将质子和粒子分别从A点由静止释放，已知质子和粒子的电性相同，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？,解：质子和粒子从A到B运动过程中，分别应用动能定理得,联立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UA0，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t0时刻进入的，它将一直向B板运动 B.若电子是在tT/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t3T/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tT/2时刻进入的，它可能时而向B板、时而向A板运动,AB,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？,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,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