10.5+带电粒子在电场中的运动+课件-2025-2026学年高二上学期物理人教版必修第三册

第十章静电场中的能量5.带电粒子在电场中的运动学习目标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)基础落实·必备知识全过关一、带电粒子在电场中的加速1.运动状态分析:利用电场使带电粒子加速时,带电粒子的速度方向与电场强度的方向

或

。

2.末速度的两种求解方法(1)一种是利用

结合匀变速直线运动公式来分析;另一种是利用静电力做功结合

来分析。

(2)当解决的问题属于

且涉及

等描述运动过程的物理量时,适合运用前一种思路分析;当问题只涉及

等动能定理公式中的物理量或

情境时,适合运用后一种思路分析。相同

相反牛顿第二定律动能定理匀强电场运动时间位移、速率非匀强电场1.运动状态分析:带电粒子的初速度方向跟电场方向

时,静电力方向跟速度方向不在同一直线上,带电粒子的运动轨迹将发生

。

2.处理方法:在匀强电场中,带电粒子的运动轨迹是一条

,类似

_________的轨迹。对这种带电粒子运动的分析思路,跟分析平抛运动是一样的,不同的仅仅是平抛运动物体所受的是重力,而上述带电粒子所受的是

。二、带电粒子在电场中的偏转垂直

偏转抛物线平抛运动静电力3.示波管的原理(1)构造示波器的核心部件是示波管,如图所示是它的原理图。它由

、偏转电极和荧光屏组成,管内抽成真空。电子枪(2)原理如果在偏转电极XX'之间和偏转电极YY'之间都没有加电压,电子束从电子枪射出后沿

运动,打在荧光屏中心,在那里产生一个亮斑。

示波管的YY'偏转电极上加的是待测的

。XX'偏转电极通常接入仪器自身产生的锯齿形电压,叫作

。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,那么,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像了。【要点提示】

用分析平抛运动的方法解决粒子在匀强电场中的偏转问题。直线信号电压扫描电压情境链接如图所示,要使电子枪发射的电子速度增大,可在空间施加匀强电场,电场的方向如何?电子枪示意图

提示:电场方向与电子的速度方向相反。

教材拓展阅读教材第47页

“拓展学习

示波管的原理”,若只在XX‘偏转电极接入图示锯齿电压,则示波管屏幕上的亮斑做什么运动,屏幕上的图像形状如何?

易错辨析(1)带电粒子(不计重力)在电场中由静止释放时,一定做匀加速直线运动。(

)

(2)带电粒子在电场中的运动既遵循牛顿运动定律,又遵循能量守恒定律。(

)

(3)动能定理只能分析匀强电场中的直线运动问题。

(

)

提示:粒子所受静电力为恒力时,才做匀加速直线运动。

提示:动能定理适用于恒力、变力、直线运动、曲线运动等情况。

××√(5)带电粒子的偏转问题可用运动的合成和分解的方法解决。

(

)

(6)带电粒子在匀强电场中偏转时,可用平抛运动的知识分析。

(

)

(4)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。(

)

提示: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。

×√√重难探究·能力素养全提升探究点估算分子的大导学探究炽热的金属丝可以发射电子。在金属丝和金属板间加电压U,发射出的电子在真空中加速后,从金属板的小孔穿出。设电子刚离开金属丝时的速度为零,电子质量为m、电荷量大小为e(如图所示)。(1)电子加速时受到几个力的作用?电子做什么运动?提示:只受静电力一个力的作用,电子向右做匀加速直线运动。(2)求电子到达正极板时的速度大小(用不同的方法求解)?

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.处理带电粒子在电场中加速问题的两种方法

方法动力学方法功能关系方法应用规律牛顿第二定律、匀变速直线运动公式静电力做功、动能定理适用条件匀强电场且涉及运动时间等物理量匀强电场、非匀强电场且涉及位移、速率、功等物理量典例剖析【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

A

方法技巧

分析带电粒子运动的基本思路

对点演练1.某些肿瘤可以用“质子疗法”进行放射治疗,在这种疗法中,质子先被加速到具有较高的能量,然后被引向轰击肿瘤,杀死其中的恶性细胞,其部分原理示意如图所示。若质子发生器产生的质子由静止进入长度为4m的匀强电场区域MN加速后,沿虚线轨迹从M极板射出(A点为轨迹中的一点),射出速度v=1.0×107m/s。已知质子电荷量q=1.6×10-19C,质子质量m=1.67×10-27kg,M板电势为0,A点与M极板距离为dAM=1m,则加速器两端的电压和A点的电势分别为(

)A.5.2×105V

3.9×105

V B.5.2×105

V

1.3×105VC.1.04×106V

3.9×105

V D.1.04×106

V

1.3×105V

B

探究点二带电粒子在电场中的偏转导学探究如图所示,两平行板间存在方向竖直向下的匀强电场,质量为m、电荷量为q的粒子以初速度v0垂直于电场方向从左侧射入两极板间,并从右侧射出,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以下问题。(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并飞出。(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(1)基本规律:分解为平行板面方向的匀速运动和垂直于板面方向的匀加速运动。(2)基本公式:设粒子电荷量为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.常用推论(1)速度偏转角θ的正切值是位移方向与初速度方向夹角α的正切值的2倍,即tanθ=2tanα。(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位移的中点。(3)不同的带电粒子(电性相同,初速度为零),经同一电场加速后,再进入同一偏转电场,则它们的运动轨迹必定重合。典例剖析角度1带电粒子在电场中的偏转

【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?答案:40V见解析

对点演练2.如图所示,在xOy平面的第Ⅰ象限内有与y轴平行的有界匀强电场。一电子以垂直于y轴的初速度v0从P(0,2L)点射入电场中,并从A(2L,0)点射出电场。已知电子的电荷量大小为e,质量为m,不计电子的重力。(1)判断第Ⅰ象限内电场的方向。

(2)求电子从P点运动到A点的时间。

(3)求匀强电场的电场强度大小。

答案:沿y轴正方向

解析:(1)由题知电子做类平抛运动向y轴负方向偏转,则其所受电场力方向沿y轴负方向,电子带负电,受力方向和电场强度的方向相反,故第Ⅰ象限内的电场方向沿y轴正方向。

角度2示波管中电子的加速与偏转

【例3】

如图所示,一真空示波管的电子从电子枪K发出(初速度不计),经K与A板间的加速电场加速,从A板中心孔沿中心线KO射出,然后进入两块平行金属板M、N形成的偏转电场中(偏转电场可视为匀强电场),电子进入M、N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P点。已知电子质量m=9.0×10-31kg,电荷量大小e=1.6×10-19C,加速电场电压U1=45V,偏转电场电压U2=50V,极板的长度L1=6cm,板间距离d=5cm,其右端到荧光屏的水平距离为L2=6cm。电子所受重力可忽略不计。(1)求电子穿过A板时的速度大小v0;(2)求电子从偏转电场射出时的侧移量y;(3)求OP的距离Y;(4)电子从偏转电场射出时的侧移量y和偏转电压U2的比叫作示波器的灵敏度,分析说明可采用哪些方法提高示波器的灵敏度。答案:4×106m/s答案:2cm答案:6cm答案:增加L1或者减小d、减小U1均可增加灵敏度

方法技巧

示波管中电子的运动规律1.如图所示,从电子枪发射的电子经加速电场加速、偏转电场(只有水平或竖直电场)偏转后,再匀速运动打在屏幕上,形成亮斑P。

学以致用·随堂检测全达标1.(带电粒子在电场中的加速)质量和电荷量不同的带电粒子,在电场中由静止开始经相同电压加速后(

)A.比荷大的粒子速度大,电荷量大的粒子动能大B.比荷大的粒子动能大,电荷量大的粒子速度大C.比荷大的粒子速度和动能都大D.电荷量大的粒子速度和动能都大

A

B

3.(示波管的原理)如图是示波管的示意图,从电子枪发出的电子通过两对偏转电极,如果偏转电极