高二物理带电粒子在电场中运动.ppt

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 高中物理新课程人教版 带电粒子在电场中的运动 制作 宋建斌 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 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 示波管的原理 研究带电粒子运动的主要工具 电场力加速度电场力的功动能定理 F qE a F m W qU 1 带电的基本粒子 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 提取题目信息的几点注意 2 带电微粒 如带电小球 液滴 油滴 尘埃等 除非有说明或明确的暗示以外 一般都考虑重力 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 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 所以带电体带负电 一 带电粒子的平衡 若带电粒子在电场中所受合力为零时 将保持静止状态或匀速直线运动状态 二 带电粒子的加速 如图所示 在真空中有一对平行金属板 两板间加以电压U 两板间有一带正电荷q的带电粒子 它在电场力的作用下 由静止开始从正极板向负极板运动 到达负板时的速度有多大 不考虑粒子的重力 1 受力分析 水平向右的电场力F Eq 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 解法二由动能定理可得 带电粒子的减速 例题1 实验表明 炽热的金属丝可以发射电子 在炽热金属丝和金属板间加以电压U 2500V 从炽热金属丝发射出的电子在真空中被加速后 从金属板的小孔穿出 电子射出后的速度有多大 设电子刚从金属丝射出时的速度为零 解 由动能定理可得 代入数据得 v 3 若初速度不为零到达负板时的速度有多大 qmV0 V 二 带电粒子的加速 加速后粒子的速度怎样计算呢 由动能定理可得 U 由牛顿定律得 若在匀强电场中 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 学生练习1 如图所示 水平放置的A B两平行金属板相距为d 现有质量为m 电量为 q的小球 从距A板高h处自由下落 通过小孔C进入电场 但没能到达B板 求AB间电势差的最小值 解 动能定理 在整个过程中 由动能定理得 mg h d qUmin 0Umin mg h d q 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 1 研究带电粒子在电场中运动的两条主要线索 1 力和运动的关系 牛顿第二定律 2 功和能的关系 动能定理2 研究带电粒子在电场中运动的两类重要的思维技巧 1 类比与等效电场力和重力都是恒力 在电场力作用下的运动可与重力作用下的运动类比 2 整体法 全过程法 电场力的功与重力的功一样 都只与始末位置有关 与路径无关 它们分别引起电荷电势能的变化和重力势能的变化 从电荷运动的全过程中功能关系出发 尤其从静止出发末速度为零的问题 往往能迅速找到解题入口或简化计算 小结 三 带电粒子的偏转 类平抛运动 带电粒子在电场中的运动 三 带电粒子的偏转 侧移距离 分析方法沿初速度方向 匀速直线运动沿电场力方向 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 加速度 飞行时间 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 偏转角 加速度 飞行时间 沿电场力方向的速度 5 带电粒子离开电场时速度大小 方法 根据动能定理求解 方法 根据速度合成求解 推论 带电粒子垂直进入偏转电场 离开电场时 粒子好象是从入射线中点直接射出来的 x 详细分析讲解例题2 解 粒子vo在电场中做类平抛运动沿电场方向匀速运动所以有 L vot 电子射出电场时 在垂直于电场方向偏移的距离为 y at2 2 粒子在垂直于电场方向的加速度 a F m eE m eU md 由 得 代入数据得 y 0 36m即电子射出时沿垂直于板面方向偏离0 36m电子射出电场时沿电场方向的速度不变仍为vo 而垂直于电场方向的速度 故电子离开电场时的偏转 角为 代入数据得 6 8 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 带电粒子在电场中的运动 六 课堂练习 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 与电量成正比 与比荷平方根成正比 带电粒子在电场中的运动 五 课堂小结 小结 v0 vy y 加速和偏转一体 思考题 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 四 示波器 1 作用 观察电信号随时间变化的情况 2 组成 示波管 内部是真空的 电子枪 偏转电极和荧光屏组成 3 原理 1 偏转电极不加电压 从电子枪射出的电子将沿直线运动 射到荧光屏的中心点形成一个亮斑 2 仅在XX1 或YY1 加电压 若所加电压稳定 则电子流被加速 偏转后射到XX1 或YY1 所在直线上某一点 形成一个亮斑 不在中心 电子枪 荧光屏 如果在偏转电极XX YY 上不加电压 电子如何运动 如果在偏转电极XX 上不加电压 偏转电极YY 上加电压电子又如何运动 四 示波管原理 v0 vy y 加速和偏转一体 在右图中设加速电压为U 电子电量为e质量为m 由W EK 若电压按正弦规律变化 如U Umsin t 偏移也将按正弦规律变化 即这斑在水平方向或竖直方向做简谐运动 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 带电粒子在电场中的运动