19 带电粒子在电场中的运动

1、J2459J2459学生示波器学生示波器阴极射线管结构示意图阴极射线管结构示意图仪器名称：示波器仪器名称：示波器 型型 号：号：COS5100系统运行时，数以系统运行时，数以1010亿计的电子就亿计的电子就将从这条加速管中以接近光速冲进将从这条加速管中以接近光速冲进储存环中发生碰撞储存环中发生碰撞 北京正负电子对撞机加速器的北京正负电子对撞机加速器的起点起点 3 3、某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗示或运、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动状态来判定电场中的带电粒子一般可分为两类：电场中的带电粒子一般可分为两类：1 1、带电的基本粒子：如电子，质子，、带电的基本粒子：

2、如电子，质子， 粒子，正负粒子，正负离子等。这些粒子所受重力和电场力相比小得多，离子等。这些粒子所受重力和电场力相比小得多，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。（但并不能忽略质量）。（但并不能忽略质量）。2 2、带电微粒：如带电小球、液滴、尘埃等。除非有、带电微粒：如带电小球、液滴、尘埃等。除非有说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。带电粒子在匀强电场中带电粒子在匀强电场中运动情况：运动情况：受到恒定的电场力受到恒定的电场力受力情况：受力情况： 做匀变速运动做匀变速运动一一. 带电粒子在电场中的加速带

3、电粒子在电场中的加速用牛顿运动定律分析用牛顿运动定律分析用动能定理分析用动能定理分析00v?tvUE1（加速电压）（加速电压）qUm+_带电粒子的加速带电粒子的加速 d d1 1、受力分析、受力分析: : 水平向右的电场力水平向右的电场力 F FEq=qU/dEq=qU/dF F2 2、运动分析、运动分析: :初速度为零，加速度初速度为零，加速度为为a=qU/mda=qU/md的向右的向右匀匀加速直线运动加速直线运动。解法一运用运动学知识求解解法一运用运动学知识求解mqUdmdqUadv2222mqUv2解法二运用能量知识求解解法二运用能量知识求解mqUvmvqU2212粒子加速后的速度只与加

4、速电压有关粒子加速后的速度只与加速电压有关思考题思考题 如两极板间不是匀强电场该如两极板间不是匀强电场该用何种方法求解？为什么？用何种方法求解？为什么？ 由于电场力做功与场强是由于电场力做功与场强是否匀强无关，与运动路径也否匀强无关，与运动路径也无关，第二种方法仍适用！无关，第二种方法仍适用！所以所以例例1 结论：结论：由于电场力做功与场强是否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以在处理电场对带电粒子的加速加速问问题时，一般都是利用题时，一般都是利用动能定理动能定理进行进行处理。处理。 例例2：如图所示，在：如图所示，在P

5、板附近有一电子由静止开板附近有一电子由静止开始向始向Q板运动，则关于电子在两板间的运动情况，下板运动，则关于电子在两板间的运动情况，下列叙述正确的是：列叙述正确的是：( )A.两板间距越大，加速的时间越长两板间距越大，加速的时间越长B.两板间距离越小，加速度就越大，两板间距离越小，加速度就越大，则电子到达则电子到达Q板时的速度就越大板时的速度就越大C.电子到达电子到达Q板时的速度与板间距板时的速度与板间距离无关，仅与加速电压有关离无关，仅与加速电压有关D.电子的加速度和末速度都与板间电子的加速度和末速度都与板间距离无关距离无关AC 例题3：如图所示，水平放置的A、B两平行板相距h，上板A带正电

6、。现有质量为m，带电量为+q的小球在B板下方距离为H处，以初速度V0竖直向上从B板小孔进入板间电场，欲使小球刚好打到A板，A、B间电势差UAB应为多少？hABV0HBCD练习：如图 从F处释放一个无初速度电子向B板方向运动,指出下列对电子运动描述中,正确的是(设电源电动势均为U) ( )FADCBA.电子到达B板时的动能是UeB.电子从B板到达C板时动能的变化量为零 C.电子到达D板时动能为Ue .电子在板与板间作往返运动 ld+- - - - - - - - - - - + + + + + + + + + Uv0q、m二二. 带电粒子在电场中的偏转带电粒子在电场中的偏转 ld+- - - -

7、 - - - - - - - + + + + + + + + + + +Uv0q、mF+vv0vyy偏转角偏转角侧移侧移二二. 带电粒子在电场中的偏转带电粒子在电场中的偏转试根据类平抛运动的知识，推导偏移量试根据类平抛运动的知识，推导偏移量 y和偏转角和偏转角1. 1.受力分析：粒子受到竖直向受力分析：粒子受到竖直向下的静电力下的静电力F FEqEq=qU/dqU/d。2 2. .运动规律分析运动规律分析: :粒子作粒子作类平抛类平抛运动运动。x x方向：方向：匀速直线运动匀速直线运动Y Y方向：方向：加速度为加速度为 的的匀匀加速直线运动加速直线运动。mdqUa v v v v0 0vy 3

8、. 3. x方向方向 L4. 4. y方向方向 xvyvy5 5、离开电场时的偏转角度的正切：、离开电场时的偏转角度的正切：tv020221vLmdqU0v0vLmdqU200mdvqULvvytan y y v v0 0vy F Fv v+ + + + + +- - - - - -v v0 0Y dUY Y q L L结论：带电粒子初速度垂直于电场方向飞入结论：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匀强电场的问题就是一个类平抛类平抛的问题。的问题。粒子在与电场垂直的方向上做粒子在与电场垂直的方向上做匀速直线运动匀速直线运动粒子在与电场平行的方向上做粒子在与电场平行的方向上做初

9、速为零的匀初速为零的匀加速运动加速运动例例3解解:电子进入偏转电场后电子进入偏转电场后,在竖直方向在竖直方向做初速度为零的匀加速直线运动做初速度为零的匀加速直线运动.加速度加速度mdeUmFa所以偏移距离所以偏移距离所以偏移角度所以偏移角度dmveUlaty202221212000tanmdveUlvatvvy水平方向做匀速直线运动水平方向做匀速直线运动00vlttvl可求得由 L LmqUv102122202242dULUvLmdqUy122022tandULUmdvLqU三、三、 加速和偏转一体加速和偏转一体+-v vv v0 0v vy y+_U1U2v v0 0-qmy 让一价氢离子、

10、一价氦离子和二价氦离子的混合物让一价氢离子、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。过偏转电场时，它们是否会分为三股？请说明理由。答案：答案：通过加速电场时获得的动能通过加速电场时获得的动能E Ek k=qUqU, ,加速电压相加速电压相同，二价氦离子电荷量最大，所以二价氦离子获得动同，二价氦离子电荷量最大，所以二价氦离子获得动能最大。能最大。 粒子的偏转量和偏转角由加

11、速电场和偏转电场决定，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。所以三种粒子不可能分开为三股。122202242dULUvLmdqUyv vv vy yy L L+- -v v0 0+-U1U2v v0 0-qm思思考考题题 例例4 4：离子发生器发射出一束质量为：离子发生器发射出一束质量为mm，电荷量为，电荷量为q q的负离子，从静止的负离子，从静止 经加速电压经加速电压U U 1 1 加速后，获得速度加速后，获得速度v v0 0 ，并沿垂直于电场线方向射入两平行板中央，受偏，并沿垂直于电场线方向射入两平行板中央，受偏转电压转电压U U2 2作用后，以速度作

12、用后，以速度离开电场，已知平行板长离开电场，已知平行板长为为，两板间距离为，两板间距离为d d， 1 1）离子在偏转电场中运动）离子在偏转电场中运动 的时间、加速度、速度的时间、加速度、速度 的大小；的大小； 2 2）离子在离开偏转电场时）离子在离开偏转电场时 的沿电场方向的偏移量和的沿电场方向的偏移量和 偏转角的正切值。偏转角的正切值。 l+ + + + + +- - - - - -u u1 1dv v0 0 求：求：四四、示波器的原理、示波器的原理1.示波器作用：是一种用来观察电信号随时间变化的电子仪器。2.它的核心部件是示波管：由电子枪、偏转电极和荧光屏组成，管内抽成真空。产生产生高速高

13、速飞飞行的行的电子束电子束待显示待显示的的电压信号电压信号锯齿形锯齿形扫扫描电压描电压使电子沿使电子沿Y Y方向方向偏移偏移使电子沿使电子沿x x方向方向偏移偏移四、示波器的原理四、示波器的原理2、原理、原理（）（）的作用：被电子枪加速后在的作用：被电子枪加速后在的电场中做匀变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，可推得在竖直方向偏移：斑，可推得在竖直方向偏移：UlLdmvqlyyy)2(2021若信号电压若信号电压tUumsin则则tyymsin如果在XX 之间不加电压,而在YY之间所加的电压按图所示的规

14、律随时间变化，在荧光屏会看到什么图形？YYX y随信号电压同步变化，但由于视觉暂留和荧光物质的残光随信号电压同步变化，但由于视觉暂留和荧光物质的残光特性，只能看到一条特性，只能看到一条竖直的亮线竖直的亮线X示波器图象示波器图象UXt扫描电压扫描电压（）（）的作用：同理可得亮斑在水平方向偏移随加在的作用：同理可得亮斑在水平方向偏移随加在上上的电压而变化，若所加的电压为特定的周期性变化电压则亮斑在水的电压而变化，若所加的电压为特定的周期性变化电压则亮斑在水平方向来回运动扫描，如果扫描电压变化很快，亮斑看起来为平方向来回运动扫描，如果扫描电压变化很快，亮斑看起来为一条一条水平的亮线水平的亮线示波器图

15、象示波器图象YYXX如果在如果在YYYY之间加如图所示的之间加如图所示的交变电压交变电压，同时，同时在在XXXX之间加之间加锯齿形扫描电压锯齿形扫描电压，在荧光屏上，在荧光屏上会看到什么图形？会看到什么图形？XYOA B CD E FA B CD E FABOCt1DEFt2如果信号电压是周期性的，并且扫描电压与信号电如果信号电压是周期性的，并且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一个周期内随时间变化的稳定图象XYYXUXt示波器图象示波器图象课堂小结：课堂小结：一、利用电场使带电粒子加速一、利用

16、电场使带电粒子加速二、利用电场使带电粒子偏转二、利用电场使带电粒子偏转从动力学和运动学角度分析从动力学和运动学角度分析从做功和能量的角度分析从做功和能量的角度分析类似平抛运动类似平抛运动的分析方法的分析方法粒子在与电场垂直的方向上做粒子在与电场垂直的方向上做匀速直线运动匀速直线运动粒子在与电场平行的方向上做粒子在与电场平行的方向上做初速度为零的匀加速运动初速度为零的匀加速运动下列粒子由静止经加速电压下列粒子由静止经加速电压 为为U U的电场加速后，的电场加速后，哪种粒子动能最大哪种粒子动能最大 （ ） 哪种粒子速度最大哪种粒子速度最大 （ ） A A、质子、质子 B B、电子、电子C C、氘核

17、、氘核 DD、氦核、氦核 强化练习强化练习mqUv2qUmvEk221与与电量电量成正比成正比与与比荷平方比荷平方根根成正比成正比D DBe/m1840e/me/2m2e/4m如图所示，如图所示，MM、N N是在真空中竖直放置的两块是在真空中竖直放置的两块平行金属板，质量为平行金属板，质量为mm、电量为、电量为+q+q的质子，以极的质子，以极小的初速度由小孔进入电场，当小的初速度由小孔进入电场，当MM、N N间电压为间电压为U U时，粒子到达时，粒子到达N N板的速度为板的速度为v，如果要使这个带，如果要使这个带电粒子到达电粒子到达N N板的速度为板的速度为2 2v ，则下述方法能满足，则下述

18、方法能满足要求的是（要求的是（ ）A A、使、使MM、N N间电压增加为间电压增加为2U 2U B B、使、使MM、N N间电压增加为间电压增加为4U 4U C C、使、使MM、N N间电压不变，距离减半间电压不变，距离减半 DD、使、使MM、N N间电压不变，距离加倍间电压不变，距离加倍 MMN NU Ud d+mqUv2v与与电压平方电压平方根根成正比成正比B强化练习强化练习dmvqUl20tan强化练习强化练习tandmvqUl20dmvqUly2022与与电量电量成正比成正比与与电量电量成正比成正比2:12:1强化练习强化练习 强化练习强化练习析与解析与解dmvqUly2022bcyy

19、 而bcvv000vlt 又bayy ball 而bavv00qEyWEkkckbkaEEEbctt 221aty 又batt 7 7、如图，电子在电势差为、如图，电子在电势差为U U1 1的加速电场中由静止的加速电场中由静止开始加速，然后射入电势差为开始加速，然后射入电势差为U U2 2的两块平行极板的两块平行极板间的电场中，入射方向跟极板平行。整个装置处在间的电场中，入射方向跟极板平行。整个装置处在真空中，重力可忽略。在满足电子能射出平行板区真空中，重力可忽略。在满足电子能射出平行板区的条件下，下述四种情况中，一定能使电子的偏转的条件下，下述四种情况中，一定能使电子的偏转角角 变大的是变大

20、的是 A A、U U1 1变大、变大、U U2 2变大变大 B B、U U1 1变小、变小、U U2 2变大变大C C、U U1 1变大、变大、U U2 2变小变小 DD、U U1 1变小、变小、U U2 2变小变小强化练习强化练习B20121mvqU 1202qUmvdmvleU202tan析与解析与解对加速过程由动能定理：对加速过程由动能定理：对偏转过程由偏转角正切公式：对偏转过程由偏转角正切公式：dUlU122与粒子的与粒子的电量电量q q、质量质量mm无关无关dUlUy1224ydUlU1224与粒子的与粒子的电量电量q q、质量质量mm无关无关强化练习强化练习A dmvqUly202

21、2dmvqUl20tantanyx dmvqUldmvqUl2020222lx强化练习强化练习1010、如图所示，有一电子、如图所示，有一电子( (电量为电量为e e、质量为、质量为m)m)经电压经电压U U0 0加速后，沿平行金属板加速后，沿平行金属板A A、B B中中心线进入两板，心线进入两板，A A、B B板间距为板间距为d d、长度为、长度为L L， A A、B B板间电压为板间电压为U U，屏，屏CDCD足够大，距离足够大，距离A A、B B板右边缘板右边缘2L2L，ABAB板的中心线过屏板的中心线过屏CDCD的中的中心且与屏心且与屏CDCD垂直。试求电子束打在屏上的垂直。试求电子束

22、打在屏上的位置到屏中心间的距离。位置到屏中心间的距离。 强化练习强化练习析与解析与解电子离开电场，就好象从中点沿直线离开的：电子离开电场，就好象从中点沿直线离开的：tan)22(llydUUl0245 y对加速过程由动能定理：对加速过程由动能定理：20021mveU 0202eUmvdUUl02tan1111、质量为、质量为1 11010-25-25kgkg、电量为、电量为1 11010-16-16C C的带电粒子以的带电粒子以2 210106 6m/sm/s速度从水平放置的速度从水平放置的平行金属板平行金属板A A、B B中央沿水平方向飞入板间，中央沿水平方向飞入板间，如图所示。已知板长如图

23、所示。已知板长L L10cm10cm，间距，间距d d2cm2cm，当，当ABAB间电压在间电压在 范围内时，范围内时，此带电粒子能从板间飞出。此带电粒子能从板间飞出。v0+ + + + + - - - - - 强化练习强化练习v0+ + + + + - - - - - 2d2/ ltanlddmvqUl202220qldmvU V160析与解析与解对偏转过程由偏转角正切公式：对偏转过程由偏转角正切公式：2/2/ld或对偏转过程由侧移公式：或对偏转过程由侧移公式：ydmvqUl20222d2220qldmvU V1601212、如图所示的示波管，如果在、如图所示的示波管，如果在YYYY之间加如

24、图之间加如图所示的所示的交变电压交变电压，同时在，同时在XXXX之间加如图所示的之间加如图所示的锯齿形电压锯齿形电压，使，使X X的电势比的电势比XX高，在荧光屏上会高，在荧光屏上会看到什么图形？看到什么图形？UxtOt1t2xxUKx yyUKy 强化练习强化练习1313、如图所示的示波管，如果在、如图所示的示波管，如果在YYYY之间加如图之间加如图所示的所示的交变电压交变电压，同时在，同时在XXXX之间加如图所示的之间加如图所示的锯齿形电压锯齿形电压，使，使X X的电势比的电势比XX高，在荧光屏上会高，在荧光屏上会看到什么图形？看到什么图形？UxtOt1t2XYO0tt0tt1 1t t1

25、 1ttt U U U U U ，且三点电势均减小；，且三点电势均减小；C C、E= E E= E 且不变，且不变，E E减为零；减为零； D D、U U U U U U ，且，且U U减小，减小， U U 不变，不变，U U 增大增大。AD 如图所示，在平行板电容器如图所示，在平行板电容器正中有一个带电微粒。正中有一个带电微粒。K K闭合时，闭合时，该微粒恰好能保持静止。在保该微粒恰好能保持静止。在保持持K K闭合；充电后将闭合；充电后将K K断开；两断开；两种情况下，各用什么方法能使该种情况下，各用什么方法能使该带电微粒向上运动打到上极板？带电微粒向上运动打到上极板？A.A.上移上极板上移

26、上极板M M B.B.上移下极板上移下极板N N C.C.左移上极板左移上极板M M D.D.把下极板把下极板N N接地接地 K KM MN N答案：选答案：选B B，选，选C C。例例3 传感器是把非电学里（如速度、传感器是把非电学里（如速度、温度、压力等）的变化转换成电学里温度、压力等）的变化转换成电学里变化的一种测定液面高度的电容式传变化的一种测定液面高度的电容式传感器的示意图，金属芯线与导电液体感器的示意图，金属芯线与导电液体形成一个电容器，从电容形成一个电容器，从电容C大小的变大小的变化就能反映液面的升降情况，两者的化就能反映液面的升降情况，两者的关系是（关系是（ ） AC增大表示增

27、大表示h增大增大 BC增大表示增大表示h减小减小 CC减小表示减小表示h减小减小 DC减小表示减小表示h增大增大导电液体金属芯线电介质AC 例例4AB B121241122121mqmqvv211121vmUqAB222221vmUqAB 练习一练习一： A板的电势板的电势UA0，B板的电势板的电势UB随时间的变化规律如图所示。则随时间的变化规律如图所示。则( )A.若电子是在若电子是在t0时刻进入的，它时刻进入的，它将一直向将一直向B板运动板运动B.若电子是在若电子是在tT/8时刻进入的，时刻进入的，它可能时而向它可能时而向B板运动，时而向板运动，时而向A板板运动运动,最后打在最后打在B板上板上C.若电子是在若电子是在t3T/8时刻进入的，时刻进入的，它可能时而向它可能时而向B板运动，时而向板运动，时而向A板板运动运动,最后打在最后打在B板上板上 D.若电子是在若电子是在tT/2时刻