山东省冠县武训高级中学高三物理总复习 6.3 电容器带电粒子在电场中的偏转课件.ppt

6 3电容器带电粒子在电场中的偏转 高三总复习选修3 1 静电平衡 把金属导体放在外电场e中 导体内的自由电子由于受电场力作用而重新分布的现象叫做静电感应 一 静电感应 二 静电平衡 电场中的导体 内部 包括表面 没有电荷定向移动的状态的状态称为静电平衡状态 4 静余电荷只分布在导体的外表面 曲率半径大的地方电荷的密度小 曲率半径小的地方电荷的密度大 二 静电平衡的特点 孤立的带电体或处在电场中的感应导体 当达到静电平衡时 具有以下特点 1 导体内部的合场强处处为零 2 整个导体是等势体 3 导体外部的电场线与导体表面垂直 在导体的外表面 越尖锐的位置 电荷的密度越大 凹陷的位置几乎没有电荷 教材 导体内部没有电荷 电荷只分布在外表面 三 两种屏蔽 1 屏蔽外部电场使其不影响内部 2 屏蔽内部电场使其不影响外部 空腔导体接地 在静电屏蔽现象中 金属网罩 或外壳 可以使罩内 空腔内 不受外界电场的影响 如果把金属罩接地还可以使罩内的带电体对外界不发生影响 现象1 现象2 现象3 思考 电力工作人员有时需要带电作业 怎样才能保证他们的生命安全 全身穿戴金属丝网制成的衣 帽 鞋 手套等 通讯电缆外层屏蔽外界电场干扰 1 如图所示在真空中把一金属导体ab向带负电的小球p缓慢的靠近时 下列说法正确的是 a b端的感应电荷越来越多b 导体内部场强越来越大c 导体的感应电荷在m点产生的场强大于在n点产生的的场强d 导体的感应电荷在m n两点产生的的场强相等 ac 2 如图所示 长为l的导体棒原来不带电 现将一带电量为q的正点电荷放在距棒左端r处 当达到静电平衡后 棒上的感应电荷在棒内中点处产生的电场如何 答案 利用e合 e0 e感 0 e0 e感 一 电容器 构成 两个导体夹一个绝缘体 导体 极板 绝缘体 电介质 充 放电 充电 使电容器带上电荷的过程 放电 使电容器失去电荷的过程 两板间的电场中贮存有电场能 电场能转化为其它形式的能 常用电容器 聚笨乙烯电容器 符号 电解电容器 符号 符号 可变电容器 固定电容器 电容器 电容 一个容纳电荷的装置 2 电容 c 定义 电容器所带电荷量q与电容器两板间的电势差u的比值 表达式 电容器一极板所带电量的绝对值 意义 表征电容器容纳电荷本领的大小 由电容器本身结构决定 单位 法拉 f 常用微法 f 皮法 pf 1f 106 f 1012pf 额定电压与击穿电压 击穿电压加在电容器两端的极限电压 超过此电压电介质将被击穿 额定电压电容器长期工作时所能承受的电压 比击穿电压低 平行板电容器的电容 为电介质的介电常数 s为两极板的正对面积 d为两极板间距 影响电容大小的因素 4 关于平行板电容器的两类问题 动态分析 电容器与电源相连 两极板间电压不变 电容器充电后与电源断开 电容器所带电量不变 3 电容式传感器 测定角度 的电容式传感器 测定液面高度h的电容式传感器 测定压力f的电容式传感器 测定位移x的电容式传感器 5 平行板电容器的动态分析 1 某电容器上标有 25 f450v 字样 下列对该电容器的说法正确的是 a 要使该电容器两极板之间电压增加1v 所需电荷量为2 5 10 5cb 要使该电容器带电荷量1c 两极板之间需加电压2 5 10 5vc 该电容器能够容纳的电荷量最多为2 5 10 5cd 该电容器能够承受的最大电压为450v a 2 如图所示电路中 a b为两块竖直放置的金属板 g是一只静电计 开关s合上充电完毕后再断开开关 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两板靠近一些b 使a b两板间加绝缘介质c 使b板向右平移一些d 使a b正对面积错开一些 cd 3 如图所示 一电容器的两极通过电阻始终与电源的正负极相连 在增大电容器两极板间的距离的过程中 下列说法正确的是 a 电容器所带电荷量增大b 电阻上有a流向b的微弱电流c 电容器两极板间的电压变大d 电容器两极板间的电场强度变大 b 4 2009 福建 如图所示 平行板电容器与电动势为e的直流电源 内阻不计 连接 下极板接地 一带电油滴位于容器中的p点且恰好处于平衡状态 现将平行板电容器的上极板竖直向上移动一小段距离 则 a 带点油滴将沿竖直方向向上运动b p点的电势将降低c 带电油滴的电势能将减小d 若电容器的电容减小 则极板带电量将增大 b ac 6 某电容式话筒的原理示意图如图所示 e为电源 r为电阻 薄片p和q为两金属极板 对着话筒说话时 p振动而q可视为不动 在p q间距增大过程中 a p q构成的电容器的电容增大b p上电荷量保持不变c m点的电势比n点的低d m点的电势比n点的高 d 一 带电粒子所受重力的处理办法 1 基本粒子 如 电子 质子 粒子 正负离子 在电场中运动时一般不考虑重力 除非题目强调要考虑重力 2 宏观带电体 如液滴 小球等一般要考虑重力 除非题目强调不考虑重力 3 未明确说明 带电粒子 的重力是否考虑时 可用两种方法进行判断 带电粒子在电场中的运动 二是题中是否有暗示 如涉及竖直方向 或结合粒子的运动过程 运动性质进行判断 一是比较电场力qe与重力mg 若qe mg则忽略重力 反之要考虑重力 二 典型问题分析 加速问题和偏转问题 一 直线运动情况 u 2 电荷量为q 质量为m的带电粒子只受电场力作用 若带电粒子的初速度为v0 加速电压为u 根据动能定理有 qu 1 电荷量为q 质量为m的带电粒子只受电场力作用 若带电粒子的初速度为0 加速电压为u 根据动能定理有 qu 适用范围 匀强电场和非匀强电场 非匀强电场不能用qed d a 3 真空中足够大的两个相互平行的金属板a和b之间的距离为d 两板之间的电压uab按如图所示规律变化 其变化周期为t 在t 0时刻 一带电粒子 q 仅在该电场的作用下 由a板从静止开始向b板运动 并于t nt n为自然数 时刻 恰好到达b板 求 若粒子在t t 6时刻才开始从a板运动 那么经过同样时间 它将运动到离a板多远的地方 4 如图所示 水平放置的两块平行金属板a b 其电容为c 相距为d 开始两板不带电 a板接地 且中央有孔 若带电荷量为q 质量为m的液滴 间断地 每次只有一滴 从小孔处以相同速度v0垂直射向b板 且将电荷全部传给b板 那么到达b板的液滴数目不会超过多少个 重力加速度为g 5 如图所示 板长l 4cm的平行板电容器 板间距离d 3cm 板与水平夹角 37 两板所加电压为u 100v 有一带负电液滴 带电荷量为q 3 10 10c 以v 1m s的水平速度自a板边缘水平进入电场 在电场中仍沿水平方向并恰好从b板边缘水平飞出 g取10m s2 求 1 液滴的质量 2 液滴飞出时的速度 答案 1 8 10 8kg 2 1 32m s 带电粒子以垂直匀强电场的场强方向进入匀强电场 做类平抛运动 轨迹为抛物线 2 平行于场强方向做初速度为零的匀加速直线运动 二 带电粒子在电场中的偏转 1 垂直于场强方向做匀速直线运动 vx v0 x v0t 对偏移公式的讨论 对于不同的带电粒子 1 若以相同的速度射入 则y q m 2 若以相同的动能射入 则y q 3 若以相同的动量射入 则y qm 4 若经相同电压u0加速后射入 则 不同的带电粒子从静止经过同一电场加速后进入同一偏转电场 它们在电场中的偏转角度和偏转距离总是相同的 轨迹相同 时间不一定相同 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 b 2 2011年湖南师大附中模拟 如图为示波管的示意图 左边为加速电场 右边水平放置的两极板之间有竖直方向的偏转电场 电子经电压为u1的电场加速后 射入偏转电压为u2的偏转电场 离开偏转电场时 电子离荧光屏中心o的侧移为y 单位偏转电压引起的偏转距离 y u2 称为示波器的灵敏度 设极板长度为l 极板间距为d 通过调整一个参量 下列方法可以提高示波器的灵敏度的是 a 增大lb 增大dc 增大u1d 减小u2 a 3 如图所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 与粒子的电量q 质量m无关 不同的带电粒子由静止经同一电场加速后再进入同一偏转电场 粒子的偏移量和偏转角与粒子的q m无关 仅取决于加速电场和偏转电场 abc 4 如图所示 有三个质量相等分别带正电 负电和不带电的小球 从平行板电场中的p点以相同的初速度垂直于e进入电场 它们分别落到a b c三点 则可判断 a 三个小球在电场中运动加速度关系是aa ab ac d 落到a点的小球带正电 落到b点的小球不带电 c 三个小球在电场中运动时间相等 b 三个小球到达正极时的动能关系是eka ekb ekc d 5 d 6 带电粒子射入两块平行极板间的匀强电场中 入射方向跟极板平行 重力忽略 若初动能为ek 则离开电场时的动能为2ek 如果初速度增为原来的2倍 则离开电场时的动能为 a 3ekb 4ekc 17ek 4d 9ek 2 c 过程一 过程二 解 带电粒子在匀强电场中做类平抛运动 联立 两式可得 联立 式可得 7 在金属板a b间加上如图乙所示的大小不变 方向周期性变化的交变电压uo 其周期是t 现有电子以平行于金属板的速度vo从两板中央射入 已知电子的质量为m 电荷量为e 不计电子的重力 求 1 若电子从t 0时刻射入 在半个周期内恰好能从a板的边缘飞出 则电子飞出时速度的大小 2 若电子从t 0时刻射入 恰能平行于金属板飞出 则金属板至少多长 3 若电子恰能从两板中央平行于板飞出 电子应从哪一时刻射入 两板间距至少多大 答案 1 2 8 飞行时间质谱仪可通过测量离子飞行时间得到离子的比荷q m 如左图所示 带正电的离子经电压为u的电场加速后 进入长度为l的真空管ab 可测得离子飞越ab所用时间t1 改进以上方法 如图左图所示 让离子飞越ab后进入场强为e 方向如右图 的匀强电场区域bc 在电场的作用下 离子返回b端 此时 测得离子从a出发后飞行的总时间t2 不计离子重力 1 忽略离子源中离子的初速度 用t1计算比荷 用t2计算比荷 2 离子源中相同比荷离子的初速度不尽相同 设两个比荷都为q m的离子在a端的速度分别为v和v v v 在改进后的方法中 它们飞行的总时间通常不同 存在时间差 t 可通过调节电场e使 t 0 求此时e的大小 构造 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 xx 使电子束水平偏转 3 荧光屏 电子束打到荧光屏上能使该处的荧光物质发光 示波管的原理 4 玻璃壳 玻璃内抽成真空 二 原理 如图所示 1 yy 方向 电子在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 竖直偏移 若信号电压u umsin t 看到一条竖直的亮线 2 xx 方向 扫描 如果扫描电压变化很快 亮斑看起来便为一条水平的亮线 3 在xx 和yy 两端同时加上等周期的扫描电压和信号电压时 在荧光屏上得到信号电压随时间的变化图象 若信号电压为u umsin t 扫描电压如图所示 且 则得到一条正弦曲线 它类同于质点振动时的振动图象 若在yy 之间加如图信号电压 同时在xx 之间加如图扫描电压 两者周期相同 则在荧光屏上会看到什么图形 x y o a b c d e f a b c d e f a b o c t1 d e f t2 当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 x 示波器图象 t 问题 若两者的周期不同呢 会出现什么情况 满足什么条件才能得到稳定正确的波形 uy t o t t扫 nt 显示出的信号完整波形个数由什么决定 n 问题 若扫描周期是信号周期的2倍 图形如何 若扫描周期是信号周期的1 2 图形又如何 1 2011 太原模拟 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 如下图所示 如果在荧光屏上p点出现亮斑 那么示波管中的 极板x应带正电 极板x 应带正电 极板y应带正电 极板y 应带正电a b c d a 2 示波器可以用来观察电信号随时间变化的情况 其核心部件是示波管 若在荧光屏上出现如图所示的正弦式交变电流波形 则在水平偏转电极xx 竖直偏转电极yy 上所加的电压波形是 a xx 加图1波形电压 yy 加图2波形电压b xx 加图2波形电压 yy 加图1波形电压c xx 加图3波形电压 yy 加图1波形电压d xx 加图4波形电压 yy 加图1波形电压 d 3 如下图所示为示波管的结构图 其中电极yy 长l1 5cm 间距d1 2 5cm 其到荧光屏的距离x1 32 5cm 电极xx 长l2 10cm 间距d2 2 5cm 其到荧光屏的距离为x2 25cm 如果在电子枪上加1000v加速电压 偏转电极xx yy 上都没有加电压 电子束从金属板小孔射出后 将沿直线运动 打在荧光屏中心o点 在那里产生一个亮斑 当在偏转电极上加上电压后 试分析下面的问题 1 在yy 电极上加100v电压 y接正 xx 电极不加电压 在图中荧光屏上标出亮斑的大体位置a 计算出oa的距离 2 在yy 电极上加100v电压 y接正 xx 电极上加100v电压 x接正 在图中苂光屏上标出亮斑的大体位置b 计算出ob的距离 答案 1 3cm 2 5cm 答案 1 1 25m s25m s2 2 0 04m a 答案 a 答案 1 2l l 4 2 y l2 4x 3 y