2019_2020学年高中物理第一章电场第六节示波器的奥秘学案粤教版.docx

第六节示波器的奥秘学科素养与目标要求物理观念：1.了解带电粒子在电场中只受电场力作用时的运动情况.2.知道示波管的主要构造和工作原理科学思维：能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两种典型运动模型一、带电粒子的加速1基本粒子的受力特点：对于质量很小的基本粒子，如电子、质子等，它们受到重力的作用一般远小于静电力，故可以忽略2带电粒子的加速：(1)带电粒子在电场中做加速直线运动的条件：只受电场力作用时，初速度为零或电场力方向与初速度方向相同(2)质量为m，电荷量为q的粒子从静止开始，仅在电场力作用下，经电压为U的电场加速后，根据动能定理qUmv2，得粒子到达另一极板的速度v.二、带电粒子的偏转如图1所示，质量为m、带电荷量为q的基本粒子(忽略重力)，以初速度v0平行于两极板进入匀强电场，极板长为l，极板间距离为d，极板间电压为U.图1(1)运动性质：沿初速度方向：速度为v0的匀速直线运动垂直v0的方向：初速度为零的匀加速直线运动(2)运动规律：偏移距离：因为t，a，所以偏移距离yat2.偏转角度：因为vyat，所以tan.三、示波器探秘1结构如图2所示为示波管的结构图图21灯丝2.阴极3.控制极4.第一阳极5.第二阳极6第三阳极7.竖直偏转系统8.水平偏转系统9荧光屏示波器的核心部件是示波管，示波管外部是一个抽成真空的玻璃管，内部主要有：(1)电子枪：由发射电子的灯丝及加速电极(阴极、阳极)组成；(2)偏转系统：水平偏转系统，竖直偏转系统；(3)荧光屏2原理：(1)扫描电压：XX偏转电极接入的是由仪器自身产生的锯齿形扫描电压；(2)灯丝被电源加热后，出现热电子发射，发射出来的电子经加速电场加速后，以很大的速度进入偏转电场，如果在YY偏转极板上加一个随时间正弦变化的信号电压，在XX偏转极板上加上适当的偏转电压，在荧光屏上就会出现按YY偏转电压规律变化的可视图象1判断下列说法的正误(1)质量很小的粒子如电子、质子等，在电场中受到的重力可忽略不计()(2)动能定理能分析匀强电场中的直线运动问题，不能分析非匀强电场中的直线运动问题()(3)带电粒子在匀强电场中偏转时，加速度不变，粒子的运动是匀变速曲线运动()(4)示波管电子枪的作用是产生高速飞行的电子束，偏转电极的作用是使电子束偏转，打在荧光屏不同位置()2.如图3所示，M和N是匀强电场中的两个等势面，相距为d，电势差为U，一质量为m(不计重力)、电荷量为q的粒子，以速度v0通过等势面M的一点射入两等势面之间，则该粒子穿过等势面N的速度为_图3答案解析由动能定理得：qUmv2mv02，解得v.一、带电粒子的加速如图所示，平行板电容器两板间的距离为d，电势差为U.一质量为m、带电荷量为q的粒子，在电场力的作用下由静止开始从正极板A向负极板B运动(1)比较粒子所受电场力和重力的大小，说明重力能否忽略不计(粒子质量是质子质量的4倍，即m41.671027kg，电荷量是质子的2倍)(2)粒子的加速度是多大(结果用字母表示)？在电场中做何种运动？(3)计算粒子到达负极板时的速度大小(结果用字母表示，尝试用不同的方法求解)答案(1)粒子所受电场力大、重力小；因重力远小于电场力，故可以忽略重力(2)粒子的加速度为a.在电场中做初速度为0的匀加速直线运动(3)方法1利用动能定理求解由动能定理可知qUmv2v.方法2利用牛顿运动定律结合运动学公式求解设粒子到达负极板时所用时间为t，则dat2vata联立解得v.1带电粒子的分类及受力特点(1)电子、质子、粒子、离子等基本粒子，一般都不考虑重力(2)质量较大的微粒：带电小球、带电油滴、带电颗粒等，除有说明或有明确的暗示外，处理问题时一般都不能忽略重力2分析带电粒子在电场力作用下加速运动的两种方法(1)利用牛顿第二定律Fma和运动学公式，只能用来分析带电粒子的匀变速运动(2)利用动能定理：qUmv2mv02.若初速度为零，则qUmv2，对于匀变速运动和非匀变速运动都适用例1如图4所示，在点电荷Q激发的电场中有A、B两点，将质子和粒子分别从A点由静止释放到达B点时，它们的速度大小之比为多少？图4答案1解析质子和粒子都带正电，从A点释放都将受电场力作用加速运动到B点，设A、B两点间的电势差为U，由动能定理可知，对质子：mHvH2qHU，对粒子：mv2qU.所以.针对训练1(2017盐城市第三中学期中)如图5所示，在A板附近有一电子由静止开始向B板运动，则关于电子到达B板时的时间和速率，下列说法正确的是()图5A两板间距越大，则加速的时间越长，获得的速率越小B两板间距越小，则加速的时间越短，获得的速率越小C两板间距越小，则加速的时间越短，获得的速率不变D两板间距越小，则加速的时间不变，获得的速率不变答案C解析由于两极板之间的电压不变，所以极板之间的场强为E，电子的加速度为a，电子在电场中一直做匀加速直线运动，由dat2，所以电子加速的时间为td，由此可见，两板间距离越小，加速时间越短，对于全过程，由动能定理可知，qUmv2，所以电子到达B板时的速率与两板间距离无关，仅与加速电压U有关，故C正确，A、B、D错误二、带电粒子的偏转如图6所示，质量为m、电荷量为q的粒子以初速度v0垂直于电场方向射入两极板间，两极板间存在方向竖直向下的匀强电场，已知板长为l，板间电压为U，板间距离为d，不计粒子的重力图61运动分析及规律应用粒子在板间做类平抛运动，应用运动分解的知识进行分析处理(1)在v0方向：做匀速直线运动；(2)在电场力方向：做初速度为零的匀加速直线运动2.过程分析如图7所示，设粒子不与极板相撞图7v0方向：粒子通过电场的时间t电场力方向：加速度a离开电场时电场力方向分速度：vyat末速度与初速度方向夹角的正切值：tan离开电场时沿电场力方向的偏移量：yat2.3两个重要推论(1)粒子从偏转电场中射出时，其速度方向的反向延长线与初速度方向的延长线交于一点，此点为粒子沿初速度方向位移的中点(2)位移方向与初速度方向间夹角的正切值为速度偏转角正切值的，即tantan.4分析粒子的偏转问题也可以利用动能定理，即qEyEk，其中y为粒子在偏转电场中沿电场方向的偏移量例2一束电子流经U15000V的加速电压加速后，在距两极板等距离处垂直进入平行板间的匀强电场，如图8所示，两极板间电压U2400 V，两极板间距d2.0 cm，板长L15.0 cm.图8(1)求电子在两极板间穿过时的偏移量y；(2)若平行板的右边缘与屏的距离L25cm，求电子打在屏上的位置与中心O的距离Y(O点位于平行板水平中线的延长线上)；(3)若另一个质量为m(不计重力)的二价负离子经同一电压U1加速，再经同一偏转电场，射出偏转电场的偏移量y和打在屏上的偏移量Y各是多大？答案(1)0.25cm(2)0.75cm(3)0.25cm0.75cm解析(1)加速过程，由动能定理得eU1mv02进入偏转电场，电子在平行于极板的方向上做匀速运动，L1v0t在垂直于极板的方向上做匀加速直线运动，加速度为a偏移距离yat2由得：y代入数据得：y0.25cm(2)如图，由几何关系知：得：Y()y代入数据得：Y0.75cm(3)因y，Y()y，与粒子的质量m和电荷量q无关，故二价负离子经同样装置后，yy0.25cm，YY0.75cm.学科素养建立带电粒子在匀强电场中偏转的类平抛运动模型，会用运动的合成和分解的知识分析带电粒子的偏转问题，提高分析综合能力，体现了“科学思维”的学科素养例3长为L的平行金属板水平放置，两极板带等量的异种电荷，板间形成匀强电场，一个带电荷量为q、质量为m的带电粒子，以初速度v0紧贴上极板垂直于电场线方向进入该电场，刚好从下极板边缘射出，射出时速度恰与水平方向成30角，如图9所示，不计粒子重力，求：图9(1)粒子离开电场时速度的大小；(2)匀强电场的场强大小；(3)两板间的距离答案(1)(2)(3)L解析(1)粒子离开电场时，速度与水平方向夹角为30，由几何关系得速度：v.(2)粒子在匀强电场中做类平抛运动，在水平方向上：Lv0t，在竖直方向上：vyat，vyv0tan30，由牛顿第二定律得：qEma解得：E.(3)粒子在匀强电场中做类平抛运动，在竖直方向上：dat2，解得：dL.针对训练2如图10所示，两个板长均为L的电极板，平行正对放置，两极板相距为d，极板之间的电势差为U，板间电场可以认为是匀强电场一个带电粒子(质量为m，电荷量为q，可视为质点)从正极板边缘以某一初速度垂直于电场方向射入两极板之间，到达负极板时恰好落在极板边缘忽略重力和空气阻力的影响求：图10(1)极板间的电场强度E的大小(2)该粒子的初速度v0的大小(3)该粒子落到负极板时的末动能Ek.答案(1)(2)(3)Uq解析(1)两极板间的电压为U，两极板间的距离为d，所以电场强度大小为E.(2)带电粒子在极板间做类平抛运动，在平行于极板方向上有Lv0t在垂直于极板方向上有dat2根据牛顿第二定律可得：a，而FEq所以a解得：v0.(3)根据动能定理可得UqEkmv02解得EkUq.1(带电粒子的直线运动)两平行金属板相距为d，电势差为U，一电子质量为m，电荷量为e，从O点沿垂直于极板的方向射入，最远到达A点，然后返回，如图11所示，OAL，则此电子具有的初动能是()图11A.BedULC.D.答案D解析电子从O点运动到A点，因受电场力作用，速度逐渐减小根据题意和题图判断，电子仅受电场力，不计重力根据能量守恒定律得mv02eUOA.因E，UOAEL，故mv02，所以D正确2(带电粒子的偏转)如图12所示，带电荷量之比为qAqB13的带电粒子A、B，先后以相同的速度从同一点水平射入平行板电容器中，不计重力，带电粒子偏转后打在同一极板上，水平飞行距离之比为xAxB21，则带电粒子的质量之比mAmB以及在电场中飞行的时间之比tAtB分别为()图12A11,23B21,32C11,34D43,21答案D解析粒子在水平方向上做匀速直线运动xv0t，由于初速度相同，xAxB21，所以tAtB21，竖直方向上粒子做匀加速直线运动yat2，且yAyB，故aAaBtB2tA214.而maqE，m，.综上所述，D项正确3(示波管的原理)(多选)示波管的构造如图13所示如果在荧光屏上P点出现亮斑，那么示波管中的()图13A极板X应带正电B极板X应带正电C极板Y应带正电D极板Y应带正电答案AC解析根据亮斑的位置，电子偏向XY区间，说明电子受到电场力作用发生了偏转，因此极板X、极板Y均应带正电4.(带电粒子的加速和偏转)(2018宿迁市期末)如图14所示，电子从静止开始被U180 V的电场加速，沿直线垂直进入另一个场强为E6 000 V/m的匀强偏转电场，而后电子从右侧离开偏转电场已知电子比荷为1011 C/kg，不计电子的重力，偏转极板长为L6.0102 m求：图14(1)电子经过电压U加速后的速度vx的大小；(2)电子在偏转电场中运动的加速度a的大小；(3)电子离开偏转电场时的速度方向与刚进入该电场时的速度方向之间的夹角.答案(1)8106m/s(2)1.11015 m/s2(3)45解析(1)根据动能定理可得eUmvx2，解得vx8106m/s(2)电子在偏转电场中受到竖直向下的电场力，根据牛顿第二定律得a，解得a1014m/s21.11015 m/s2(3)电子在水平方向上做匀速直线运动，故t在竖直方向上做初速度为零的匀加速直线运动，故vyat，tan，联立解得45.一、选择题考点一带电粒子的直线运动1质子(H)、粒子(He)、钠离子(Na)三个粒子分别从静止状态经过电压为U的同一电场加速后，获得动能最大的是()A质子(H) B粒子(He)C钠离子(Na) D都相同答案B解析qUmv20，U相同，粒子带的正电荷多，电荷量最大，所以粒子获得的动能最大，故选项B正确2如图1所示，竖直放置的两平行板间的匀强电场的电场强度恒定，从负极板处由静止释放一个电子(不计重力)，设其到达正极板时的速度为v1，加速度为a1.若将两极板间的距离增大为原来的2倍，再从负极板处由静止释放一个电子，设其到达正极板时的速度为v2，加速度为a2，则()图1Aa1a211，v1v212Ba1a221，v1v212Ca1a221，v1v21Da1a211，v1v21答案D解析因场强不变，电子在电场中受到的电场力不变，故a1a211，由动能定理得Uemv2，v，因两极板间的距离增大为原来的2倍，由UEd知，电势差U增大为原来的2倍，故v1v21.3.(多选)如图2所示，M、N是真空中的两块平行金属板，质量为m、电荷量为q的带电粒子以初速度v0由小孔射入板间电场，当M、N间电势差为U时，粒子恰好能到达N板要使这个带电粒子到达M、N板间距的后返回，下列措施中能满足要求的是(不计带电粒子的重力)()图2A使初速度减小为原来的B使M、N间电势差加倍C使M、N间电势差提高到原来的4倍D使初速度和M、N间电势差都减小为原来的答案BD4(2017江苏单科)如图3所示，三块平行放置的带电金属薄板A、B、C中央各有一小孔，小孔分别位于O、M、P点由O点静止释放的电子恰好能运动到P点现将C板向右平移到P点，则由O点静止释放的电子()图3A运动到P点返回B运动到P和P点之间返回C运动到P点返回D穿过P点答案A解析根据平行板电容器的电容的决定式C、定义式C和匀强电场的电压与电场强度的关系式UEd可得E，可知将C板向右平移到P点，B、C两板间的电场强度不变，由O点静止释放的电子仍然可以运动到P点，并且会原路返回，故选项A正确.考点二带电粒子的偏转5.如图4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()图4Aa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v0v0得，故选C.6.如图5所示，一重力不计的带电粒子以初速度v0射入水平放置、距离为d的两平行金属板间，射入方向沿两极板的中心线当极板间所加电压为U1时，粒子落在A板上的P点如果将带电粒子的初速度变为2v0，同时将A板向上移动后，使粒子由原入射点射入后仍落在P点，则极板间所加电压U2为()图5AU23U1BU26U1CU28U1DU212U1答案D解析板间距离为d，射入速度为v0，板间电压为U1时，在电场中有at2，a，t，解得U1；A板上移，射入速度为2v0，板间电压为U2时，在电场中有dat2，a，t，解得U2，即U212U1，故选D.7(2018人大附中高二期中)如图6所示，有一带电粒子贴着A板沿水平方向射入匀强电场，当偏转电压为U1时，带电粒子沿轨迹从两板正中间飞出；当偏转电压为U2时，带电粒子沿轨迹落到B板中间；设粒子两次射入电场的水平速度相同，则两次偏转电压之比为()图6AU1U218BU1U214CU1U212DU1U211答案A解析带电粒子在匀强电场中做类平抛运动，水平位移为xv0t，两次运动的水平位移之比为21，两次运动的水平速度相同，故运动时间之比为t1t221，由于竖直方向上的位移为hat2，两次运动的竖直位移之比为h1h212，故加速度之比为18，又因为加速度a，故两次偏转电压之比为U1U218，故A正确考点三带电粒子的加速和偏转示波管的原理8.如图7所示，电子在电势差为U1的电场中由静止加速后，垂直射入电势差为U2的偏转电场在满足电子能射出偏转电场的条件下，下列四种情况中，一定能使电子的偏转角变大的是()图7AU1变大，U2变大BU1变小，U2变大CU1变大，U2变小DU1变小，U2变小答案B解析由带电粒子在电场中的加速和偏转规律可知偏转角的正切值tan，选项B正确9.(多选)(2017扬州市高一期末)如图8所示是某示波管的示意图，电子先由电子枪加速后进入偏转电场，如果在偏转电极上加一个电压，则电子束将会偏转，并飞出偏转电场下面措施中能使电子偏转距离变大的是()图8A尽可能把偏转极板L做得长一点B尽可能把偏转极板L做得短一点C尽可能把偏转极板间的距离d做得小一点D将电子枪的加速电压提高答案AC解析设加速电压为U1，则qU1mv02设偏转电压为U2，则y联立得，y，故选A、C.10图9甲为示波管的原理图如果在电极YY之间所加的电压按图乙所示的规律变化，在电极XX之间所加的电压按图丙所示的规律变化，则在荧光屏上会看到的图形是()图9答案B解析由于电极XX之间所加的是扫描电压，电极YY之间所加的电压为信号电压，所以荧光屏上会看到B选项所示的图形二、非选择题11(2018清华附中高二上期中)如图10所示，电子由静止开始经加速电场加速后，沿平行于板面的方向射入偏转电场，并从另一侧射出，已知电子质量为m，电荷量为e，加速电场电压为U0，偏转电场可看做匀强电场，极板间电压为U，极板长度为L，板间距为d.图10(1)忽略电子所受重力，求电子射入偏转电场时初速度v0和从电场射出时沿垂直板面方向的偏转距离y；(2)分析物理量的数量级，是解决物理问题的常用方法，在解决(1)问时忽略了电子所受重力，请利用下列数据分析说明其原因已知U2.0102V，d4.0102m，m9.11031kg，e1.61019C，取g10m/s2.答案见解析解析(1)电子在加速电场中加速，根据动能定