沪科版选修31 2.5　探究电子束在示波管中的运动 学案.doc

2.5探究电子束在示波管中的运动学习目标重点难点1掌握带电粒子在电场中加速和偏转所遵循的规律。2知道示波器的主要构造和工作原理。重点：带电粒子在匀强电场中的运动规律。难点：电学与力学知识综合处理偏转问题。1探究电子束在偏转电极中的偏转示波管中的偏转电极yy实际上是两块靠得很近的、大小相等、互相正对的平行金属板。在偏转电极上加上电压后，两极间的电场是匀强电场，称为偏转电场。电子束垂直于偏转电场进入平行金属板之间，电子受到电场力的作用。预习交流1在带电粒子的加速和偏转的问题讨论中，为什么常常不考虑重力？什么时候考虑重力？什么时候不考虑重力？答案：(1)基本粒子：如电子、质子、粒子、离子等除有说明或有明确的暗示以外，一般都不考虑重力(但并不忽略质量)。(2)带电微粒：如液滴、油滴、尘埃、小球等，除有说明或有明确的暗示以外，一般都不能忽略重力。(3)某些带电粒子是否考虑重力，要根据题目说明或运动状态来判定。2电子束在示波管中的运动规律(1)电子在电子枪中的运动电子束在电子枪中被加速，由动能定理：qumv电子从小孔水平射出的速度：v0。(2)电子在偏转电极中的运动光斑在荧光屏上的竖直偏移电子以速度v0进入偏转电极yy之间的匀强电场后，如果偏转板的长度为l，两板距离为d，则电子在平行于极板方向上做匀速直线运动，速度为v0；电子在垂直于极板方向上做初速度为零的匀加速运动，加速度为af/mqe/mqu/md。电子经过时间t离开偏转电极yy，在竖直方向上偏移y，竖直方向上的分速度为vy，离开偏转电场时的偏转角为，即偏转距离：yat2()2。在y方向上的分速度：vyat。离开偏转电场时的偏转角：tan。(3)电子束离开偏转电极后的运动电子离开偏转电极后不再受电场力作用，做匀速直线运动。预习交流2一束质量为m、电荷量为q的带电粒子以平行于两极板的速度v0进入匀强电场，如图所示。如果两极板间电压为u、两极板间的距离为d、板长为l。设粒子束不会击中极板，则粒子从进入电场到飞出极板时电势能的变化量为_。(粒子的重力忽略不计)答案：水平方向匀速运动，则运动时间t竖直方向匀加速运动，则偏移量yat2且a由得y则电场力做功wqeyq由动能定理得电势能减少了。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，若人们想利用电场来达到加速带电粒子的目的，应怎么办？答案：若要使带电粒子加速，则必须使带电粒子的初速度方向与加速度方向相同，若带电粒子的初速度为零，则粒子将沿(或逆)电场线方向加速(正电荷沿电场线方向加速，负电荷逆电场线方向加速)，如图所示，在加上电压并处于真空中的平行金属板间有一正电荷q，在电场力作用下从静止开始向负极板运动，由动能定理，可求带电粒子到达负极板时的动能。由wqu及动能定理wekmv20得：qumv2到达负极板的速度为：v。如图所示，带负电的小球静止在水平放置的平行板电容器两板间，距下板0.8 cm，两板间的电势差为300 v，如果两板间电势差减小到60 v，则带电小球运动到极板上需多长时间？答案：4.5102 s解析：取带电小球为研究对象，设其质量为m、带电荷量为q，带电小球受重力mg和向上的静电力qe的作用。当u1300 v时，小球平衡：mgq。当u260 v时，重力大于静电力，带电小球向下板做匀加速直线运动，由牛顿第二定律得mgqma又hat2由以上各式化简得t代入数据得t4.5102 s。带电粒子涉及重力的直线运动，如粒子处于匀强电场中，可以由牛顿定律或动能定理求解。如粒子处于非匀强电场中，只能用动能定理求解。二、带电粒子的偏转如图所示，离子发生器p发射出质量为m、电荷量为q的离子，从静止经加速电压u1加速后，获得速度v0，并垂直于电场方向射入两平行板中央，受偏转电压u2作用后，以速度v离开电场。已知平行板长为l，两板间距离为d。试求：(1)离子在偏转电场中运动的时间。(2)所受电场力的大小。(3)离子运动的加速度大小。(4)离子在离开偏转电场时的速度和纵向速度大小。(5)离子离开偏转电场时的偏移量和偏转角。答案：(1)不管加速电场是不是匀强电场，wqu都适用，由动能定理得：qu1mv，故v0由于偏转电场是匀强电场，所以离子的运动类似于平抛运动，即水平方向是速度为v0的匀速直线运动；竖直方向为初速度为零的匀加速直线运动。在水平方向上，tl。(2)离子在偏转电场中所受电场力f的大小e，故fqe。(3)离子在偏转电场中的加速度a。(4)离子在离开偏转电场时的纵向速度vyvyatl离子在离开偏转电场时的速度v的大小v。(5)离子在离开偏转电场时的纵向偏移量为yyat2离子离开偏转电场时的偏转角的正切值tantan。说明：(1)初速度为零的不同带电粒子经过同一电场的加速和另一电场的偏转后，带电粒子在电场中的偏转角和带电粒子的质量m、电荷量q无关，只取决于加速电场和偏转电场。(2)不同的带电粒子(电性相同)，先经过同一电场加速再经过同一电场偏转，则它们的运动轨迹必定重合。图示为示波器的工作原理示意图。一束电子从静止开始经加速电压u1加速后，以水平速度沿中线射入水平放置的两平行金属板中间。已知金属板长为l，两板间距离为d，竖直放置的荧光屏距金属板右端为l。当在两金属板间加直流电压u2时，光点偏离中线与荧光屏的交点o打在荧光屏上的p点，求op的长度。答案：解析：设电子射出偏转极板时偏移距离为y，偏转角为，则：opyltan又yat2()2tan在加速电场中加速过程，由动能定理有：eu1mv联立解得：y，tan可得：op。在分析解决带电粒子在电场中加速或偏转的问题时，在力学中的很多规律、方法同样适用，如牛顿运动定律、动能定理、运动的合成与分解等。1一带电粒子在电场中只受电场力作用时，它不可能出现的运动状态是()。a匀速直线运动b匀加速直线运动c匀变速曲线运动 d匀速圆周运动答案：a解析：只有电场力作用时，说明粒子受到的合外力的大小不为零，所以选项a不对；当粒子在匀强电场中由静止释放后，粒子做匀加速直线运动，选项b对；当粒子垂直进入匀强电场后，粒子做类平抛运动，选项c对；原子核周围的电子只在电场力的作用下做匀速圆周运动，选项d对。2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质子h b氘核hc粒子he d钠离子na答案：a解析：由qumv2，得v，然后比较各粒子的可得a正确。3带电粒子经加速电场加速后垂直进入两平行金属板间的偏转电场，要使它离开偏转电场时偏转角增大，可采用的方法有()。a增大带电粒子的电荷量 b增大带电粒子的质量c增大加速电压 d增大偏转电压答案：d解析：同一加速电场同一偏转电场，偏转角为tan，u为偏转电压，d正确。4如图所示，a、b两个带正电的粒子，以相同的速度先后垂直于电场线从同一点进入平行板间的匀强电场后，a粒子打在b板的a点，b粒子打在b板的b点，若不计重力，则()。aa的电荷量一定大于b的电荷量bb的质量一定大于a的质量ca的比荷一定大于b的比荷db的比荷一定大于a的比荷答案：c解析：粒子在电场中做类平抛运动，由h()2得，xv0由于v0v0，可得。5如图所示，有一电子(电荷量为e)经电压u0加速后，进入两块间距