高中物理第1章静电场第9节带电粒子在电场中的运动课件新人教版选修3-1

1、第第9 9节带电粒子在电场中的运动节带电粒子在电场中的运动( (教师参考教师参考) )一、教学目标一、教学目标知识与技能知识与技能1.1.知道带电粒子在电场中的加速运动知道带电粒子在电场中的加速运动, ,能够计算粒子所获速度的大小能够计算粒子所获速度的大小2.2.掌握带电粒子在匀强电场中的偏转运动掌握带电粒子在匀强电场中的偏转运动( (类平抛运动类平抛运动) )3.3.知道示波管的主要构造和工作原理知道示波管的主要构造和工作原理过程与方法过程与方法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问题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问题情感态度与价值观情感态度与价值观

2、培养学生综合分析问题的能力培养学生综合分析问题的能力, ,体会物理知识的实际应用体会物理知识的实际应用二、教学重点难点二、教学重点难点教学重点教学重点带电粒子在电场中的加速和偏转规律带电粒子在电场中的加速和偏转规律教学难点教学难点带电粒子在电场中的偏转问题及应用带电粒子在电场中的偏转问题及应用三、重难点突破方略三、重难点突破方略带电粒子的加速的突破方略带电粒子的加速的突破方略【情境设置情境设置】 在真空中有一对平行金属板在真空中有一对平行金属板, ,两板间的电势差为两板间的电势差为U,U,板间距板间距为为d,d,如图所示如图所示. .若一个质量为若一个质量为m m、带正电荷、带正电荷q q的粒

3、子在静电力的作用下由的粒子在静电力的作用下由静止开始从正极板运动到负极板静止开始从正极板运动到负极板. .( (设问设问1)1)带电粒子在电场中受哪些力作用带电粒子在电场中受哪些力作用? ?重力能否忽略不计重力能否忽略不计? ?答案答案: :受重力和静电力受重力和静电力; ;因重力远小于静电力因重力远小于静电力, ,故可以忽略重力故可以忽略重力. .( (设问设问2)2)粒子在电场中做何种运动粒子在电场中做何种运动? ?你能用几种方法计算粒子到达负极板你能用几种方法计算粒子到达负极板时的速度时的速度? ?( (设问设问3)3)在非匀强电场中在非匀强电场中, ,上述两种方法哪一种可行上述两种方法

4、哪一种可行? ?答案答案: :方法一可行方法一可行. .【教师讲授教师讲授】 在非匀强电场中在非匀强电场中, ,公式公式W=qUW=qU同样适用同样适用. .自主学习自主学习课堂探究课堂探究达标测评达标测评学科素养学科素养自主学习自主学习 课前预习课前预习感悟新知感悟新知( (教师参考教师参考) )情境链接一情境链接一粒子加速器广泛应用于医疗粒子加速器广泛应用于医疗, ,例如例如, ,医用加速器是生物医学上的一种用医用加速器是生物医学上的一种用来对肿瘤进行放射治疗的粒子加速器装置来对肿瘤进行放射治疗的粒子加速器装置. .目前国际上目前国际上, ,在放射治疗中在放射治疗中使用最多的是电子直线加速

5、器使用最多的是电子直线加速器. .只有在怎样的场所中只有在怎样的场所中, ,电子才得以加速电子才得以加速? ?电子获得的动能是由什么能量转化而来电子获得的动能是由什么能量转化而来? ?信息信息1.1.要使带电粒子获得能量要使带电粒子获得能量, ,就要有加速电场就要有加速电场. .2.2.静电力对电子做功静电力对电子做功, ,电子的电势能转化为动能电子的电势能转化为动能. .情境链接二情境链接二示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器. .利用示波器能观察各种不利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线同信号幅度随时间变化的波形曲线, ,还可以用它测

6、试各种不同的电学量还可以用它测试各种不同的电学量, ,如电压、电流、频率、相位差、调幅度等如电压、电流、频率、相位差、调幅度等. .1.1.如图所示如图所示, ,若将一个锯齿形电压加到一对水平偏转电极上若将一个锯齿形电压加到一对水平偏转电极上, ,光点在荧光光点在荧光屏上形成怎样的图形屏上形成怎样的图形? ?2.2.如果分别将两个直流电压同时加到竖直和水平两对偏转板上如果分别将两个直流电压同时加到竖直和水平两对偏转板上, ,则荧光则荧光屏上的光点位置如何来确定屏上的光点位置如何来确定? ?信息信息1.1.光点在荧光屏上形成水平的亮线光点在荧光屏上形成水平的亮线. .2.2.荧光屏上的光点位置就

7、由两个方向的位移共同决定荧光屏上的光点位置就由两个方向的位移共同决定. .教材梳理教材梳理动能定理动能定理 想一想想一想 教材第教材第3434页页“思考与讨论思考与讨论”中中, ,如果两极板是其他形状如果两极板是其他形状, ,中间的中间的电场不再均匀电场不再均匀, ,上面的结果是否仍然适用上面的结果是否仍然适用? ?为什么为什么? ?二、带电粒子的偏转二、带电粒子的偏转分析教材第分析教材第3434页页“带电粒子的偏转带电粒子的偏转”部分部分, ,大致了解求偏移距离大致了解求偏移距离y y和偏和偏转角度转角度的过程的过程. .1.1.进入电场的方式进入电场的方式: :以初速度以初速度v v0 0

8、垂直于电场线方向进入匀强电场垂直于电场线方向进入匀强电场. .2.2.受力特点受力特点: :静电力大小恒定静电力大小恒定, ,且方向与初速度且方向与初速度v v0 0的方向垂直的方向垂直. .3.3.运动规律运动规律 ( (如图所示如图所示):):想一想想一想 教材第教材第3434页的页的“例题例题2”2”中的电子做曲线运动中的电子做曲线运动, ,可以认为电子同时可以认为电子同时参与了哪两种分运动参与了哪两种分运动? ?答案答案: :电子的运动可分解为垂直电场方向的初速度为零的匀加速直线运动与电子的运动可分解为垂直电场方向的初速度为零的匀加速直线运动与平行电场方向的匀速直线运动这两个分运动平行

9、电场方向的匀速直线运动这两个分运动. .三、示波管三、示波管分析教材第分析教材第3535页图页图1.9-4,1.9-4,了解示波管的结构了解示波管的结构, ,大致说出示波管的原理大致说出示波管的原理. .1.1.构造构造: :示波管主要由示波管主要由 、偏转电极和、偏转电极和 组成组成. .电子枪电子枪荧光屏荧光屏2.2.原理原理: :灯丝被电源加热后灯丝被电源加热后, ,发射电子发射电子, ,发射出来的电子经加速电场加速后发射出来的电子经加速电场加速后, ,以很大的以很大的速度进入偏转电场速度进入偏转电场, ,如在电极如在电极YYYY之间加一个之间加一个 , ,在在XXXX偏转电极偏转电极上

10、加一上加一 , ,且扫描电压与信号电压周期相同且扫描电压与信号电压周期相同, ,在荧光屏上就会出现按在荧光屏上就会出现按YYYY偏转电压规律变化的可视图像偏转电压规律变化的可视图像. .信号电压信号电压议一议议一议 教材第教材第3636页页“思考与讨论思考与讨论”中图中图1.9-61.9-6的电压加在的电压加在XXXX之间之间, ,而而YYYY之间不加电压之间不加电压, ,则在示波管的荧光屏上会看到什么图形则在示波管的荧光屏上会看到什么图形? ?答案答案: :由于由于YYYY之间不加电压之间不加电压, ,电子不会上下偏转电子不会上下偏转; ;在在XXXX之间加上图之间加上图1.9-61.9-6

11、的的电压电压, ,电子从左向右偏转电子从左向右偏转, ,在荧光屏上会看到一条水平的亮线在荧光屏上会看到一条水平的亮线. .扫描电压扫描电压自主检测自主检测答案答案: :(1)(1)(2)(2)(3)(3)(4)(4)1.1.思考判断思考判断(1)(1)基本粒子在电场中加速时基本粒子在电场中加速时, ,不计重力就是不计质量不计重力就是不计质量.(.() )(2)(2)带电粒子在匀强电场中偏转时带电粒子在匀强电场中偏转时, ,其速度和加速度都不断变化其速度和加速度都不断变化.(.() )(3)(3)示波管电子枪的作用是产生高速飞行的电子束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

12、是使电偏转电极的作用是使电子束发生偏转子束发生偏转, ,打在荧光屏的不同位置打在荧光屏的不同位置.(.() )(4)(4)示波管的荧光屏上显示的是电子的运动轨迹示波管的荧光屏上显示的是电子的运动轨迹.(.() )C C2.2.如图所示如图所示, ,在在A A板附近有一电子由静止开始向板附近有一电子由静止开始向B B板运动板运动, ,则关于电子到达则关于电子到达B B板时的速率板时的速率, ,下列解释正确的是下列解释正确的是( ( ) )A.A.两板间距越大两板间距越大, ,加速的时间就越长加速的时间就越长, ,则获得的速率越大则获得的速率越大B.B.两板间距越小两板间距越小, ,加速的时间就越

13、长加速的时间就越长, ,则获得的速率越大则获得的速率越大C.C.获得的速率大小与两板间的距离无关获得的速率大小与两板间的距离无关, ,仅与加速电压仅与加速电压U U有关有关D.D.两板间距离越小两板间距离越小, ,加速的时间就越短加速的时间就越短, ,则获得的速率越小则获得的速率越小3.3.如图是示波管的原理图如图是示波管的原理图. .它由电子枪、偏转电极它由电子枪、偏转电极(XX(XX和和YY)YY)、荧光、荧光屏组成屏组成, ,管内抽成真空管内抽成真空. .给电子枪通电后给电子枪通电后, ,如果在偏转电极如果在偏转电极XXXX和和YYYY上上都没有加电压都没有加电压, ,电子束将打在荧光屏

14、的中心电子束将打在荧光屏的中心O O点点. .答案答案: : (1) (1)(2)Y(2)YX X(1)(1)带电粒子在带电粒子在区域是加速的区域是加速的, ,在在区域是偏转的区域是偏转的.(2)(2)若若U UYYYY0,U0,UXXXX=0,=0,则粒子向则粒子向板偏移板偏移, ,若若U UYYYY=0,U=0,UXXXX0,0,则粒子向则粒子向板偏移板偏移.4.4.如图所示如图所示, ,带电粒子以初速度带电粒子以初速度v v0 0沿垂直于电场方向进入匀强电场中做类沿垂直于电场方向进入匀强电场中做类平抛运动平抛运动,U,d,L,m,q,v,U,d,L,m,q,v0 0已知已知. .请完成下

15、列填空请完成下列填空. .(1)(1)穿过极板时间穿过极板时间t=t=.(2)(2)射出电场的末速度射出电场的末速度v=v=.(3)(3)射出电场时偏向距射出电场时偏向距y=y=, ,对于不同的带电粒子若以相同的速度射对于不同的带电粒子若以相同的速度射入入, ,则则y y与与成正比成正比; ;若以相同的动能射入若以相同的动能射入, ,则则y y与与成正比成正比.课堂探究课堂探究 核心导学核心导学要点探究要点探究要点一要点一带电粒子的加速带电粒子的加速【问题导引问题导引】处理带电粒子在电场中加速运动问题主要有哪两种基本思路处理带电粒子在电场中加速运动问题主要有哪两种基本思路? ?答案答案: :

16、(1) (1)力和运动的关系力和运动的关系牛顿第二定律及运动学公式牛顿第二定律及运动学公式; ;(2)(2)功和能的关系功和能的关系动能定理等动能定理等. .前者适用于粒子在匀强电场做匀变速前者适用于粒子在匀强电场做匀变速直线运动的情况直线运动的情况, ,后者既适用于匀强电场后者既适用于匀强电场, ,也适用于非匀强电场也适用于非匀强电场. .( (教师备用教师备用) )【要点归纳要点归纳】1.1.运动状态分析运动状态分析: :带电粒子沿平行电场线的方向进入匀强电场带电粒子沿平行电场线的方向进入匀强电场, ,受到的电受到的电场力与运动方向在同一直线上场力与运动方向在同一直线上, ,做匀变速直线运

17、动做匀变速直线运动. .2.2.物理过程分析方法物理过程分析方法(1)(1)根据带电粒子受的力根据带电粒子受的力( (包含静电力包含静电力),),用牛顿定律求出加速度用牛顿定律求出加速度, ,结合运动结合运动学公式确定带电粒子的速度、位移等学公式确定带电粒子的速度、位移等. .(2)(2)由动能定理由动能定理, ,粒子动能的变化量等于合外力做的功粒子动能的变化量等于合外力做的功( (电场可以是匀强电电场可以是匀强电场或非匀强电场场或非匀强电场).).思路探究思路探究 (1)(1)电子的加速度由什么力决定电子的加速度由什么力决定? ?【例例1 1】 一个电子一个电子( (质量为质量为9.19.1

18、1010-31-31 kg, kg,电荷量为电荷量为1.61.61010-19-19 C) C)以以v v0 0=4.0=4.010107 7 m/s m/s的初速度沿着匀强电场的电场线方向飞入匀强电场的初速度沿着匀强电场的电场线方向飞入匀强电场, ,已知电场强度大已知电场强度大小小E=2.0E=2.010105 5 N/C, N/C,不计重力不计重力, ,求求: :(1)(1)电子在电场中运动的加速度大小电子在电场中运动的加速度大小; ;(2)(2)电子进入电场的最大距离电子进入电场的最大距离; ;(3)(3)电子进入电场最大距离的一半时的动能电子进入电场最大距离的一半时的动能. .(2)(

19、2)电子运动到最大距离处时速度为多大电子运动到最大距离处时速度为多大? ?求这个最大距离的最佳运求这个最大距离的最佳运动学公式用哪个动学公式用哪个? ?答案答案: :电子运动到最大距离处的速度为零电子运动到最大距离处的速度为零, ,用用v v2 2=2ax=2ax可求得最大距离可求得最大距离x.x.答案答案: : (1)3.5 (1)3.5101016 16 m/sm/s2 2(2)2.28(2)2.281010-2-2 m m(3)3.6(3)3.61010-16-16 J J误区警示误区警示 带电体重力的处理方法带电体重力的处理方法(1)(1)基本粒子基本粒子, ,如电子、质子、如电子、质

20、子、粒子、正负离子等粒子、正负离子等, ,除有说明或明确的暗示除有说明或明确的暗示以外以外, ,在电场中运动时均不考虑重力在电场中运动时均不考虑重力( (但并不忽略质量但并不忽略质量););(2)(2)宏观带电体宏观带电体, ,如尘埃、液滴、小球等除有说明或明确的暗示以外如尘埃、液滴、小球等除有说明或明确的暗示以外, ,一般要一般要考虑重力考虑重力. .( (教师备用教师备用) )例例1-1:1-1:如图所示如图所示, ,一个电子质量为一个电子质量为m,m,电荷量为电荷量为e,e,以初速度以初速度v v0 0沿着匀强电场沿着匀强电场的电场线方向飞入匀强电场的电场线方向飞入匀强电场, ,已知匀强

21、电场的场强大小为已知匀强电场的场强大小为E,E,不计重力不计重力, ,求求: :(1)(1)电子进入电场的最大距离电子进入电场的最大距离; ;(2)(2)电子进入电场最大距离的一半时的动能电子进入电场最大距离的一半时的动能. .例例1-21-2: :如图所示如图所示, ,在点电荷在点电荷+Q+Q激发的电场中有激发的电场中有A,BA,B两点两点, ,将质子将质子( (符号符号H H、质量、质量数为数为1,1,电荷数为电荷数为1)1)和和粒子粒子( (符号符号、质量数为、质量数为4,4,电荷数为电荷数为2)2)分别从分别从A A点由点由静止释放到达静止释放到达B B点时点时, ,它们的速度大小之比

22、为多少它们的速度大小之比为多少? ?针对训练针对训练1:1:如图如图, ,在在P P板附近有一电子由静止开始向板附近有一电子由静止开始向Q Q板运动板运动. .已知两极板已知两极板间电势差为间电势差为U,U,板间距为板间距为d,d,电子质量为电子质量为m,m,电荷量为电荷量为e.e.则关于电子在两板间则关于电子在两板间的运动情况的运动情况, ,下列叙述正确的是下列叙述正确的是( ( ) )A.A.若将板间距若将板间距d d增大一倍增大一倍, ,则电子到达则电子到达Q Q板的速率保持不变板的速率保持不变B.B.若将板间距若将板间距d d增大一倍增大一倍, ,则电子到达则电子到达Q Q板的速率也增

23、大一倍板的速率也增大一倍C.C.若将两极板间电势差若将两极板间电势差U U增大一倍增大一倍, ,则电子到达则电子到达Q Q板的时间保持不变板的时间保持不变D.D.若将两极板间电势差若将两极板间电势差U U增大一倍增大一倍, ,则电子到达则电子到达Q Q板的时间减为一半板的时间减为一半A A要点二要点二带电粒子在加速电场、偏转电场中的综合问题带电粒子在加速电场、偏转电场中的综合问题【问题导引问题导引】不同的带电粒子经同一加速电场加速后再经同一偏转电场偏转不同的带电粒子经同一加速电场加速后再经同一偏转电场偏转, ,能否被能否被分成不同的粒子束分成不同的粒子束? ?2.2.无论粒子的无论粒子的m,q

24、m,q如何如何, ,只要经过同一电场加速只要经过同一电场加速, ,再垂直进入同一偏转电场再垂直进入同一偏转电场, ,它们飞出的偏移量和偏转角它们飞出的偏移量和偏转角都是相同的都是相同的, ,所以同性粒子运动轨迹完全重合所以同性粒子运动轨迹完全重合. .【例例2 2】 如图所示为一真空示波管如图所示为一真空示波管, ,电子从灯丝电子从灯丝K K出发出发( (初速度不计初速度不计),),经灯丝经灯丝与与A A板间的加速电压板间的加速电压U U1 1加速加速, ,从从A A板中心孔沿中心线板中心孔沿中心线KOKO射出射出, ,然后从两块平行然后从两块平行金属板金属板M,NM,N的中间位置进入偏转电场

25、中的中间位置进入偏转电场中, ,偏转电场可视为匀强电场偏转电场可视为匀强电场, ,电子进入电子进入M,NM,N间电场时的速度与电场方向垂直间电场时的速度与电场方向垂直, ,电子经过电场后打在荧光屏上的电子经过电场后打在荧光屏上的P P点点. .已知加速电压为已知加速电压为U U1 1,M,N,M,N两板间的电压为两板间的电压为U U2 2, ,两板间的距离为两板间的距离为d,d,板长为板长为L L1 1, ,板右板右端到荧光屏的距离为端到荧光屏的距离为L L2 2, ,电子的质量为电子的质量为m,m,电荷量为电荷量为e.e.求求: :(1)(1)电子穿过电子穿过A A板时的速度大小板时的速度大

26、小; ;(2)(2)电子从偏转电场射出时的侧移量电子从偏转电场射出时的侧移量; ;(3)P(3)P点到点到O O点的距离点的距离. .思维导图思维导图规律方法规律方法 带电粒子在匀强电场中偏转的几个推论带电粒子在匀强电场中偏转的几个推论(3)(3)若以相同的初动能若以相同的初动能E Ek0k0进入同一个偏转电场进入同一个偏转电场, ,只要只要q q相同相同, ,不论不论m m是否相同是否相同, ,则偏转距离则偏转距离y y和偏转角和偏转角相同相同. .( (教师备用教师备用) )变式变式: :在例在例2 2中的示波管中的示波管, ,由于加速电压由于加速电压U U1 1过低过低, ,电子不能飞出

27、偏转电场电子不能飞出偏转电场, ,导致导致荧光屏不能出现亮斑荧光屏不能出现亮斑. .求出现这种情况时求出现这种情况时, ,加速电压加速电压U1U1的范围的范围. .例例2-1:(20162-1:(2016广州执信、广雅、二中、六中四校联考广州执信、广雅、二中、六中四校联考) )如图所示如图所示, ,虚线虚线MNMN左侧有一场强为左侧有一场强为E E1 1=E=E的匀强电场的匀强电场, ,在两条平行的虚线在两条平行的虚线MNMN和和PQPQ之间存在着宽为之间存在着宽为L L、电场强度为、电场强度为E E2 2=2E=2E的匀强的匀强电场电场, ,在虚线在虚线PQPQ右侧相距为右侧相距为L L处有

28、一与电场处有一与电场E E2 2平行的屏平行的屏. .现将一电子现将一电子( (电荷量为电荷量为e,e,质量为质量为m)m)无初速度地放入电场无初速度地放入电场E E1 1中的中的A A点点(A(A点离两场边界距离为点离两场边界距离为L/2),L/2),最后电子打在右侧的屏最后电子打在右侧的屏上上,AO,AO连线与屏垂直连线与屏垂直, ,垂足为垂足为O,O,求求: :(1)(1)电子从释放到刚射出电场电子从释放到刚射出电场E2E2时所用的时间时所用的时间; ;(2)(2)电子刚射出电场电子刚射出电场E E2 2时的速度方向与时的速度方向与AOAO连线夹角连线夹角的正切值的正切值tan ;tan

29、 ;答案：答案：(2)2(2)2 (3)(3)电子打到屏上的点电子打到屏上的点PP到点到点O O的距离的距离y.y.答案：答案：(3)3L(3)3L例例2-2:2-2:一个初速度为零的电子通过电压为一个初速度为零的电子通过电压为U U的电场加速后的电场加速后, ,从从C C点沿水平方向点沿水平方向飞入电场强度为飞入电场强度为E E的匀强电场中的匀强电场中, ,到达该电场中另一点到达该电场中另一点D D时时, ,电子的速度方向电子的速度方向与电场强度方向的夹角正好是与电场强度方向的夹角正好是120120, ,如图所示如图所示. .试求试求C,DC,D两点沿电场强度方两点沿电场强度方向的距离向的距

30、离y.y.针对训练针对训练2:2:如图所示如图所示, ,一个质量为一个质量为m m、带电荷量为、带电荷量为q q的粒子从两平行板左侧中的粒子从两平行板左侧中点沿垂直场强方向射入点沿垂直场强方向射入, ,当入射速度为当入射速度为v v时时, ,恰好穿过电场而不碰金属板恰好穿过电场而不碰金属板. .要要使粒子的入射速度变为使粒子的入射速度变为v/2,v/2,仍能恰好穿过电场仍能恰好穿过电场, ,则必须再使则必须再使( ( ) )A.A.粒子的电荷量变为原来的粒子的电荷量变为原来的1/41/4B.B.两板间电压减为原来的两板间电压减为原来的1/21/2C.C.两板间距离增为原来的两板间距离增为原来的

31、4 4倍倍D.D.两板间距离减为原来的两板间距离减为原来的1/21/2A A达标测评达标测评 随堂演练随堂演练检测效果检测效果C C ACAC2.(2.(多选多选) )示波管是示波器的核心部件示波管是示波器的核心部件, ,它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成, ,如图所示如图所示. .若在荧光屏上若在荧光屏上P P点出现亮斑点出现亮斑, ,那么示波管中那么示波管中( ( ) )A.A.极板极板X X应带正电应带正电B.B.极板极板XX应带正电应带正电C.C.极板极板Y Y应带正电应带正电D.D.极板极板YY应带正电应带正电解析解析: :电子带负电电子带负电, ,要使

32、电子向极板要使电子向极板Y Y偏转偏转, ,极板极板Y Y应带正电应带正电, ,要使电子要使电子向极板向极板X X偏转偏转, ,极板极板X X应带正电应带正电, ,选项选项A,CA,C正确正确,B,D,B,D错误错误. .A A C C 5.(20165.(2016湖北襄阳高二期末湖北襄阳高二期末) )如图所示如图所示, ,边长为边长为L L的正方形区域的正方形区域abcdabcd内存在着匀强内存在着匀强电场电场, ,电荷量为电荷量为q q、动能为、动能为EkEk的带正电粒子从的带正电粒子从a a点沿点沿abab方向进入电场方向进入电场, ,不计粒子的不计粒子的重力重力. .(1)(1)若粒子从若粒子从c c点离开电场点离开电场, ,求电场强度的大小和粒子离开电场时的动能求电场强度的大小和粒子离开电场时的