辽宁省大连市高中物理 第1章 静电场 1.9 带电粒子在电场中的应用课件 新人教版选修31.ppt

导入新课 使带电粒子加速的装置 你们见过图中的示波管吗 想知道电子枪的工作原理么 1 9带电粒子在电场中的运动 教学目标 1 知识与能力 带电粒子在电场中的运动状态 及功能的转化关系 学会运用静电力做功 电势 电势差 等势面等概念研究带电粒子在电场中运动时的能量转化 学会运用静电力 电场强度等概念研究带电粒子在电场中运动时的加速度 速度和位移等物理量的变化 2 过程与方法 通过带电粒子在电场中的偏转 运用以前学过的知识解题 通过学习本节知识巩固以前学过的知识 3 情感态度与价值观 理解带电粒子在电场中是如何运动的 运用现有的物理知识去理解未知的世界 教学重难点 教学重点 教学难点 带电粒子在电场中运动的加速度 带电粒子在电场中的偏转 带电粒子在电场中的偏转 一 带电粒子的加速 二 带电粒子的偏转 三 示波管的原理 内容解析 一 带电粒子的加速 带电粒子在电场中要受到电场力的作用 产生加速度 速度的大小和方向都会发生变化 在现代科学实验和技术设备中 常常根据这个道理 利用电场来改变或控制带电粒子的运动 下面讨论两种最简单的情况 一是利用电场使带电粒子加速 一是利用电场使带电粒子偏转 下面我们先来介绍一下如何利用电场使带电粒子加速 如左图所示 在真空中有一对平行金属板 两板间加以电压u 两板间有一个带正电荷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 到达负极板时的速度有多大 带电粒子的加速 我们知道 两平行金属板间的电场是匀强电场 如果两极板是其他形状 中间的电场不是匀强电场 上式同样适用 为什么 说明理由 带电粒子在运动过程中 电场力所做的功w qu 设带电粒子到达负极板时的动能 由动能定理可知 由此可求出 带电粒子沿与电场线平行的方向进入匀强电场 受到电场力与运动方向在同一直线上 做加 减 速直线运动 1 运动状态分析 2 用功能观点分析 如右图所示 在真空中水平放置一对金属板x和y 板间距离为d 在两板间加以电压u 两板间的匀强电场的场强为e u d 现有一电荷量为q的带电粒子以水平速度v0射入电场中 带电粒子受到竖直方向的电场力f qe 因而在电场中发生偏转 注意 以上公式适用于一切电场 包括匀强电场和非匀强电场 二 带电粒子的偏转 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 受到恒定的与初速度方向成九十度角的电场力作用而做匀变速曲线运动 轨迹为抛物线 1 运动状态分析 2 偏转运动的分析处理方法 用类似平抛运动分析方法 1 沿初速度方向为速度为v0的匀速直线运动 2 沿电场力方向为初速度为零的匀加速运动 3 基本公式 1 加速度 2 运动时间 3 离开电场的偏转量 4 偏转量 下面我们来研究一下带电粒子在电场中运动时它的重力是否可忽略不计 1 基本粒子 如电子 质子 粒子 离子等粒子有说明或有明确暗示以外一般都可忽略不计 2 带电颗粒 如尘埃 液滴 小球等 除有有说明或有明确暗示以外一般不能忽略 三 示波管的原理 有一种电子仪器叫做示波管 可以用来观察电信号随时间变化的情况 在学生实验中要练习使用它 示波管的核心部件是示波管 它由电子枪 偏转电极和荧光屏组成 管内抽成真空 下面我们看一下示波管的原理图 如果在偏转电极和偏转电极上都没有加电压电子束从金属板小孔射出后将沿直线传播 打在荧光屏上 在那里产生一个亮斑 工作原理 电子枪只是用来发射和加速电子 在 都没加电压时 在荧光屏中心处产生一个亮斑 如果只在加正选变化电压时 荧光屏上亮点的运动是竖直方向的简谐运动 在荧光屏上看到一条竖直方向的亮线 如果只在加上跟时间成正比的锯齿形电压 称扫描电压 时 荧光屏上的亮点的运动是不断重复从做到右的匀速直线运动 在荧光屏上看到一条水平方向的亮线 如果同时在加扫描电压 加同周期的正选变化电压 荧光屏亮点同时参与水平方向匀速直线运动 竖直方向简谐运动 在荧光屏上看到的曲线为一个完整的正选波形 课堂小结 带电粒子在电场中的速度公式 利用电场来改变或控制带电粒子的运动 下面讨论两种最简单的情况 一是利用电场使带电粒子加速 一是利用电场使带电粒子偏转 一 带电粒子的加速 带电粒子沿与电场线平行的方向进入匀强电场 受到电场力与运动方向在同一直线上 做加 减 速直线运动 初速度为零时 初速度不为零时 注意 以上公式适用于一切电场 包括匀强电场和非匀强电场 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 受到恒定的与初速度方向成九十度角的电场力作用而做匀变速曲线运动 轨迹为抛物线 二 带电粒子的偏转 1 加速度 2 运动时间 3 离开电场的偏转量 4 偏转量 三 示波管的原理 示波管的核心部件是示波管 它由电子枪 偏转电极和荧光屏组成 管内抽成真空 1 有一束正离子 以相同速率从同一位置进入带电平行板电容器的匀强电场中 所有离子运动轨迹一样 说明所有离子 a 具有相同质量b 具有相同电荷量c 具有相同的比荷d 属于同一元素的同位素 课堂练习 c 2 如图是一个说明示波管工作的原理图 电子经加速电场 加速电压为u1 加速后垂直进入偏转电场 离开偏转电场时偏转量是h 两平行板间的距离为d 电压为u2 板长为l 每单位电压引起的偏移 叫做示波管的灵敏度 为了提高灵敏度 可采用下列哪些方法 a 增大u2b 减小lc 减小dd 增大u1 c 3 一个有初速的 电量为 4 10 8c为的带电粒子 在电场中只受电场力作用 从a点运动到b点的过程中 克服电场力做了8 10 5j的功 则a b两点的电势差 在此过程中 电荷的动能 填 增加 或 减少 了 ev 2000v 减少 4 如图所示 虚线表示某点电荷q所激发电场的等势面 已知a b两点在同一等势面上 c d两点在另一个等势面上 甲 乙两个带电粒子以相同的速率 沿不同的方向从同一点a射入电场 在电场中沿不同的轨迹adb曲线 acb曲线运动 则两粒子所带的电荷符号 填 不同 或 相同 经过b点时 两粒子的速率vavb 填 或 不同 5 一束初速不计的电子流在经u 5000v的加速电压加速后 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 两个极板上最多能加多大电压 解析 在加速电压一定时 偏转电压u 越大 电子在极板间的偏转距离就越大 当偏转电压大到使电子刚好擦着极板的边缘飞出 此时的偏转电压 即为题目要求的最大电压 加速过程 由动能定理得 进入偏转电场 电子在平行于板面的方向上作匀速运动l v0t 在垂直于板面的方向上作匀加速直线运动 加速度 偏转距离 能飞出的条件为 解 式得 即要使电子能飞出 所加电压最大为400v 高考链接 1 2007重庆24 飞行时间质谱仪可通过测量离子飞行时间得到离子的荷质比q m 如图1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所用的时间t1 改进以上方法 如图2所示 让离子飞越ab后进入场强为e 方向如图 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 忽略离子源中离子的初速度 用t1计算荷质比 用t2计算荷质比 离子源中相同荷质比离子的初速度不尽相同 设两个荷质比都为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 提示 设荷质比为k 加速阶段 得 穿越ab经历时间 在电场e中经历时间 因此将该式两边分别平方后整理得结论 教材习题答案 3 答 设加速电压为u0 偏转电压为u 带电粒子的电荷量为q 质量为m 垂直进入偏转电场的速度为v0 偏转电场两极间距离为d 极板长为l 则 带电粒子在加速电场中获得初动能 粒子在偏转电场中的加速度 在偏转电场中运动的时间为 粒子离开偏转电场时沿静电力方向的速度 粒子离开偏 转电场时速度方向的偏转角的正切 1 若电子与氢核的初速度相同 则 2 若电子与氢核的初动能相同 则 4 答 设加速电压为u0 偏转电压为u 带电粒子的电荷量为q 质量为m 垂直进入偏转电场的速度为v0 偏转电场两极间的距离为d 极板长为l 则 粒子的初动能 粒子在偏转电场中的加速度 在偏转电场中运动