《带电粒子在电场中的运动》教案物理科课件

高中同步学案优化设计GAOZHONGTONGBUXUEANYOUHAUSHEJI5.带电粒子在电场中的运动第十章内容索引0102课前篇自主预习课堂篇探究学习学习目标1.会从运动和力的关系的角度、从功和能量变化的关系的角度分析带电粒子在匀强电场中的加速问题。(物理观念)2.知道带电粒子垂直于电场线进入匀强电场运动的特点,并能对偏移距离、偏转角度、离开电场时的速度等物理量进行分析与计算。(科学思维)3.了解示波管的工作原理,体会静电场知识对科学技术的影响,激发求知欲。(科学态度与责任)4.通过解决带电粒子在电场中加速和偏转的问题,加深对从牛顿运动定律和功能关系两个角度分析物体运动的认识,以及将匀变速直线运动分解为两个方向上的简单运动来处理的思路的认识。(科学思维)思维导图课前篇自主预习【必备知识】一、带电粒子在电场中的加速想一想阴极射线管是一个抽成真空的玻璃管,如图所示,它的左边有一个能发射电子的阴极,右边是阳极。把它们分别与高压电源的负极和正极连接,可以从荧光屏上看到一条亮线,这就是电子在管内的运动径迹。观察这一现象,思考以下问题:观察阴极射线中带电粒子的运动

(1)为什么要在管内设置荧光屏?(2)通过观察到的径迹,你认为电子在管内做的是什么运动?提示(1)设置荧光屏是为了观察到电子的运动径迹;(2)我们看到电子的运动径迹是一条直线,这说明电子在管内做的是直线运动。1.运动状态分析:带电粒子(不计重力)沿电场方向射入匀强电场时,若所受静电力与速度方向同向,则粒子做匀加速直线运动;若所受静电力与速度方向反向,则粒子做匀减速直线运动。2.粒子末速度的求解方法(1)(粒子在匀强电场中的运动)质量为m、电荷量为q的带电粒子(不计重力)在电场强度为E的匀强电场中由静止释放,运动时间为t时,根据牛顿运动定律和运动学规律得末速度;若运动距离为L,则根据动能定理得末速度(2)(粒子在非匀强电场中的运动)质量为m、电荷量为q的带电粒子(不计重力)初速度为零,经过电势差为U的电场加速后,根据动能定理得末速度二、带电粒子在电场中的偏转1.运动状态分析:带电粒子以初速度v0垂直于电场线方向飞入匀强电场,受到与初速度方向垂直的恒定静电力作用而做匀变速曲线运动。2.处理方法:带电粒子以初速度v0垂直于电场线方向飞入匀强电场,将带电粒子的运动沿初速度方向和静电力方向进行分解。沿初速度方向的分运动为匀速直线运动。沿静电力方向的分运动为初速度为零的匀加速直线运动。三、示波管的原理1.构造示波管是示波器的核心部件,外部是一个抽成真空的玻璃壳,内部主要由电子枪(由发射电子的灯丝、加速电极组成)、偏转电极(由一对X偏转电极板和一对Y偏转电极板组成)和荧光屏组成,如图所示。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Y偏转极板上加一个信号电压,在X偏转极板上加一个扫描电压,在荧光屏上就会出现按Y偏转电压规律变化的可视图像。【自我检测】1.正误判断,判断结果为错误的小题说明原因。(1)带电粒子在电场中一定做加速直线运动。(

)答案×解析带电粒子在电场中只受静电力作用且速度为零或者是速度方向和静电力方向相同时,带电粒子才做加速直线运动。(2)当带电粒子的速度方向和静电力方向垂直时,带电粒子才做曲线运动。(

)答案×解析当带电粒子只受静电力作用,且带电粒子的速度方向和静电力方向不在同一直线上时,带电粒子才做曲线运动。(3)带电粒子的偏转问题可用运动的合成和分解的方法解决。(

)答案√A.1∶1 B.1∶2 C.2∶1 D.1∶4答案B3.带电粒子经加速电场由静止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.增加带电粒子的电荷量

B.增加带电粒子的质量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,偏转角的正切为,U2为偏转电压,U1为加速电压,l为偏转电场在粒子入射方向的长度,d为偏转电场在垂直粒子入射方向的宽度,选项D正确。课堂篇探究学习探究一带电粒子的加速【情境导引】在真空中有一对平行金属板,由于接上电池组而带电,两板间电势差为U,若一个质量为m、带正电荷q的粒子,以初速度v0从正极板附近向负极板运动。试结合上述情境讨论:(1)怎样计算它到达负极板时的速度?(2)若粒子带的是负电荷(初速度为v0),将做匀减速直线运动,如果能到达负极板,其速度如何?(3)上述问题中,两块金属板是平行的,两板间的电场是匀强电场,如果两金属板是其他形状,中间的电场不再均匀,上面的结果是否仍然适用?为什么?(3)结果仍然适用。因为不管是否为匀强电场,静电力做功都可以用W=qU计算,动能定理仍然适用。【知识归纳】1.带电粒子的分类及受力特点(1)电子、质子、α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.带电粒子在电场中做直线运动问题的分析方法

【典例示范】例1如图所示,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(

)A.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解析设A、B间电场强度为E1,B、C间电场强度为E2,由O点释放的电子恰好能运动到P点,根据动能定理,有:eE1xOM-eE2xMP=0-0

①,B、C板电荷量不变,B、C板间的电场强度为:

②,由②知B、C板间的电场强度不随距离的变化而变化,当C板向右平移到P'时,B、C板间的电场强度不变,由①知,电子仍然运动到P点返回,故A正确,B、C、D错误。规律方法分析带电粒子在电场中加速运动的两种思路(1)牛顿第二定律和运动学公式探究二带电粒子的偏转【情境导引】如图所示,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,两平行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,板间距为d,不计粒子的重力。试结合上述情境讨论:(1)怎样求带电粒子在电场中运动的时间t?(2)粒子加速度大小是多少?方向如何?(3)怎样求粒子射出电场时在静电力方向上的偏转距离?(4)求粒子离开电场时垂直电场方向和沿电场方向的速度。(5)求合速度与初速度方向的夹角θ的正切值。(6)求粒子合位移与初速度方向的夹角α的正切值。【知识归纳】带电粒子在匀强电场中的偏转1.带电粒子在匀强电场中的偏转(1)条件分析:不计重力的带电粒子以垂直于电场线方向飞入匀强电场。(2)运动特点:类平抛运动。(3)处理方法:利用运动的合成与分解。2.带电粒子在匀强电场中的类平抛偏转的基本规律设粒子带电荷量为q,质量为m,两平行金属板间的电压为U,板长为l,板间距离为d(忽略重力影响),则有:3.几个常用推论

可类比平抛呀!(1)tanα=2tanβ。(2)粒子从偏转电场中射出时,其速度反向延长线与初速度方向交于沿初速度方向分位移的中点。(3)以相同的初速度进入同一个偏转电场的带电粒子,不论m、q是否相同,只要

相同,即比荷相同,则偏转距离y和偏转角α相同。(4)若以相同的初动能Ek0进入同一个偏转电场,只要q相同,不论m是否相同,则偏转距离y和偏转角α相同。(5)不同的带电粒子经同一加速电场加速后(即加速电压相同),进入同一偏转电场,则偏转距离y和偏转角α相同(,U1为加速电压,U2为偏转电压)。

【典例示范】例2一束电子流经U=500V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,若两极板间距d=1.0cm,板长l=5.0cm。(1)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?(2)在保持所加最大电压不变的情况下,将电子流改为质子流,质子能否从两极板间飞出?规律方法若几种不同的带电粒子经同一电场加速后再进入同一个偏转电场,粒子的侧向位移、偏转角与粒子的q、m无关,仅取决于加速电场和偏转电场,即变式训练两个半径均为R的圆形平板电极,平行正对放置,相距为d,极板间的电势差为U,板间电场可以认为是匀强电场。一个α粒子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中心。已知质子电荷量为e,质子和中子的质量均视为m,忽略重力和空气阻力的影响,求:(1)极板间的电场强度E。(2)α粒子在极板间运动的加速度a。(3)α粒子的初速度v0。探究三带电粒子在交变电场中的运动【知识归纳】1.常见的交变电场电压波形有方形波、锯齿波、正弦波等。2.常见的题目类型(1)粒子做单向直线运动(一般用牛顿运动定律求解)。(2)粒子做往返运动(一般分段研究)。(3)粒子做偏转运动(一般根据交变电场特点分段研究)。3.思维方法(1)注重全面分析(分析受力特点和运动规律),抓住粒子的运动具有周期性和在空间上具有对称性的特征,求解粒子运动过程中的速度、位移、做功或确定与物理过程相关的边界条件。(2)分析时从两条思路出发,一是力和运动的关系,根据牛顿第二定律及运动学规律分析;二是功能关系。(3)注意对称性和周期性变化关系的应用。【典例示范】例3如图甲所示,两平行正对的金属板A、B间加有如图乙所示的交变电压,一重力可忽略不计的带正电粒子被固定在两板的正中间P处。若在t0时刻释放该粒子,粒子会时而向A板运动,时而向B板运动,并最终打在A板上。则t0可能属于的时间段是(

)答案B解析设粒子的速度方向、位移方向向右为正。依题意知,粒子的速度方向时而为正,时而为负,最终打在A板上时,位移为负,速度方向为负。分别作出t0=0、

时粒子运动的速度图像,如图所示。

随堂训练1.如图所示,电子由静止开始从A板向B板运动,到达B板的速度为v,保持两板间的电压不变,则(

)A.当增大两板间的距离时,速度v增大B.当减小两板间的距离时,速度v减小C.当减小两板间的距离时,速度v不变D.当减小两板间的距离时,电子在两板间运动的时间增大答案C2.在空间有正方向水平向右、大小按如图所示的图线变化的电场,位于电场中A点的电子在t=0时速度为零,在t=1s时,电子离开A点的距离大小为l。那么在t=2s时,电子将处在(

)A.A点

B.A点左方l处