带电粒子在电场中运动课件--高二上学期物理人教版（2019）必修第三册.pptx

10.5 10.5 带电粒子在电场带电粒子在电场中的运动中的运动带电粒子在带电粒子在匀强电场匀强电场中运动状态：中运动状态：匀变速直线匀变速直线运动运动加速、减速加速、减速匀变速曲线运动匀变速曲线运动1.平衡平衡（F合合=0）2.匀变速匀变速运动运动（F合合0）静止静止匀速直线运动匀速直线运动可能是可能是 我们知道，把一个带电粒子放进电场中，它就具有一我们知道，把一个带电粒子放进电场中，它就具有一定的电势能并受到电场力的作用，因此它可能会作各种定的电势能并受到电场力的作用，因此它可能会作各种各样的运动，这在现代科学技术设备中有广泛的应用。各样的运动，这在现代科学技术设备中有广泛的应用。带电粒子可以在带电粒子可以在电场电场中中做匀速圆周运动吗？做匀速圆周运动吗？3、某些带电体（带电微粒）是否考虑重力，要根据、某些带电体（带电微粒）是否考虑重力，要根据题目暗示或运动状态来判定题目暗示或运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、基本带电粒子基本带电粒子：如电子，质子，：如电子，质子，粒子，正负离粒子，正负离子等。这些粒子所受重力和电场力相比很小，一般子等。这些粒子所受重力和电场力相比很小，一般都不考虑重力，除非有说明或有明确的暗示。（但都不考虑重力，除非有说明或有明确的暗示。（但并不能忽略质量）。并不能忽略质量）。2、宏观带电体宏观带电体：如带电小球、液滴、尘埃等。一般：如带电小球、液滴、尘埃等。一般都要考虑重力，除非有说明或有明确的暗示。都要考虑重力，除非有说明或有明确的暗示。一、带电粒子在电场中的加速一、带电粒子在电场中的加速 如图所示，在真空中有一对如图所示，在真空中有一对平行金属板，两板间加以电平行金属板，两板间加以电压压U U。两板间有一带正电荷。两板间有一带正电荷q q的带电粒子。它在电场力的的带电粒子。它在电场力的作用下，由作用下，由静止静止开始从正极开始从正极板向负极板运动，到达负板板向负极板运动，到达负板时的速度有多大？时的速度有多大？( (不考虑不考虑粒子的重力粒子的重力）qUm+_带电粒子的加速带电粒子的加速 d dq qU Um m+ +_ _带 电 粒 子 的带 电 粒 子 的加速加速 d d1 1 、 受 力 分 析、 受 力 分 析 : :（忽略重力忽略重力） 水平向右的电场力（与水平向右的电场力（与运动方向相同）运动方向相同） F FEq=qU/dEq=qU/dF F2 2、运动分析、运动分析: :初速度为零，加速初速度为零，加速度为度为a=qU/mda=qU/md的向右的向右匀加速直线运动匀加速直线运动。解法一运用运动解法一运用运动学知识求解学知识求解mqUdmdqUadv2222mqUv2解法二运用动能定理解法二运用动能定理求解求解mqUvmvqU2212思考思考 如初末位置间不是匀强电场该用何种方法求如初末位置间不是匀强电场该用何种方法求解？为什么？解？为什么？ 第一种方法不适用第一种方法不适用 ，第二种方法仍适用！，第二种方法仍适用！所以所以 利用利用动能定理动能定理进行处理进行处理V00时呢二、带电粒子在电场中的偏转二、带电粒子在电场中的偏转 UL L+-Y dY Y 如图所示，在真空如图所示，在真空中水平放置一对金中水平放置一对金属板属板Y Y和和Y Y，板间距，板间距离为离为d d。在两板间加。在两板间加以电压以电压U U，一电荷量，一电荷量为为q q质量为质量为m m的带正的带正电粒子从极板中央电粒子从极板中央以水平速度以水平速度v v0 0射入电射入电场。试分析带电粒场。试分析带电粒子在电场中的运动子在电场中的运动情况。情况。( (不计粒子的重力不计粒子的重力) )v0 q q1 1、受力分析：粒子受到竖、受力分析：粒子受到竖直 向 下 的 电 场 力直 向 下 的 电 场 力 F F Eq=qU/dEq=qU/d。 2 2、运动规律分析、运动规律分析: :粒子做粒子做类平抛类平抛运动。运动。v v+ + + + + +- - - - - -v0Y dUY Y q q L Lx x方向：方向：匀速直线运动匀速直线运动Y Y方向：加速度为方向：加速度为 的的 匀加速直线运动匀加速直线运动。mdqUa y y v v0 0vy v v v v0 0vy F F结论：带电粒子初速度垂直于电场方向飞入匀强结论：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速为零的匀加速初速为零的匀加速运动运动3 3、x x方向方向L4 4、y y方向方向 xvyvy5 5、偏转角：、偏转角：tv020221vLmdqU0v0vLmdqU200mdvqULvvytan6 6、V V的反向延长线交于水平位移的中点的反向延长线交于水平位移的中点V V的反向延长线交于初速度方向位移的中点的反向延长线交于初速度方向位移的中点+-vv0vyy+_U1U2v0 L LmqUv102122202242dULUvLmdqUy122022tandULUmdvLqU-qm三、三、 加速和偏转一体加速和偏转一体思考题：让一价氢离子、一价氦离子和二价氦离思考题：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，子的混合物经过同一加速电场由静止开始加速，然后在同一偏转电场里偏转，在通过加速电场时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？通过偏转电场时，它们是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。否会分为三股？请说明理由。答：答：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, ,加速电压加速电压相同，二价氦离子电荷量最大，所以二价氦离子相同，二价氦离子电荷量最大，所以二价氦离子获得动能最大。粒子的偏转量和偏转角由加速电获得动能最大。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场和偏转电场决定，所以三种粒子不可能分开为三股。三股。轨迹相同，但到达同一点的时间可以不同轨迹相同，但到达同一点的时间可以不同20121mvqU 122202242dULUvLmdqUy122022tandULUmdvLqU思考题：让一价氢离子、一价氦离子和二价氦离思考题：让一价氢离子、一价氦离子和二价氦离子的混合物以相同的初速度进入同一偏转电场偏子的混合物以相同的初速度进入同一偏转电场偏转，通过偏转电场时，它们是否会分为三股？请转，通过偏转电场时，它们是否会分为三股？请说明理由。说明理由。答：答：三种粒子会分开为三股三种粒子会分开为三股22202qULymd v在示波管模型中，带电粒子经加速电场U1加速，再经偏转电场U2偏转后，需再经历一段匀速直线运动才会打到荧光屏上而显示亮点P，如图637所示图图637四、四、 加速和偏转、匀速直线一体加速和偏转、匀速直线一体 (1)确定最终偏移距离 思路 思路 (2)确定偏转后的动能(或速度) 思路 思路图图639B图图639A 示波管示波管是是示波器示波器的核心部件。现的核心部件。现在，示波器已经成为科学研究检测在，示波器已经成为科学研究检测和修理各种电子仪器不可缺少的工和修理各种电子仪器不可缺少的工具。这一节我们学习示波管的具。这一节我们学习示波管的结构结构和工作原理和工作原理。电子枪荧光屏偏转电极+-XX、y、yXX、Y、Y亮斑五、示波管原理从右向左看从右向左看四、示波器四、示波器 1 1、作用作用：观察电信号随时间变化的情况：观察电信号随时间变化的情况2 2、组成组成：示波管（内部是真空的），由：示波管（内部是真空的），由电子枪、偏转电极和荧光屏组成。电子枪、偏转电极和荧光屏组成。3 3、原理原理（1 1）、偏转电极不加电压：从）、偏转电极不加电压：从电子枪射出的电子将沿直线运动，射到电子枪射出的电子将沿直线运动，射到荧光屏的中心点形成一个亮斑。荧光屏的中心点形成一个亮斑。（2 2）、仅在）、仅在YYYY （或（或XXXX ）加电压）加电压（3 3）、在）、在YYYY 和和XXXX 上都加电压上都加电压1.1.如果偏转电极如果偏转电极XXXX之间和偏之间和偏转电极转电极YYYY之间都不加电压，之间都不加电压，电子枪电子枪发射出发射出电子电子，最后打，最后打在在荧光屏荧光屏上的位置在哪里？上的位置在哪里？ 亮斑XXYY2.2.如果如果偏转电极偏转电极XXXX之间之间不加电压，而在不加电压，而在偏转电偏转电极极YYYY之间加不变的电压之间加不变的电压（Y Y正、正、YY负负) )，电子将，电子将打在打在荧光屏荧光屏上什么位置？上什么位置？试着标出试着标出 亮斑XXYY3.3.如果如果偏转电极偏转电极YYYY之间之间不加电压，而在不加电压，而在偏转电偏转电极极XXXX之间加不变的电压之间加不变的电压（X X正、正、XX负负) )，电子将，电子将打在打在荧光屏荧光屏上什么位置？上什么位置？试着标出试着标出 亮斑XXYY4.4.如果如果偏转电极偏转电极XXXX之间之间不加电压，而在不加电压，而在偏转电偏转电极极YYYY之间加正弦电压，之间加正弦电压，在在荧光屏荧光屏上将看到什么上将看到什么图形，试着画出图形，试着画出 XXYY5.5.如果偏转电极如果偏转电极YYYY之之间还是上述正弦电压，间还是上述正弦电压，而在偏转电极而在偏转电极XXXX之间之间加不变的电压加不变的电压（X X正、正、XX负负) )，在在荧光屏荧光屏上上将看到什么图形，试将看到什么图形，试着画出着画出 XXYY6.6.如果偏转电极如果偏转电极YYYY之间之间还是上述正弦电压，而还是上述正弦电压，而在偏转电极在偏转电极XX XX 之间加之间加不变的电压（不变的电压（X X负、负、X X正正) )，在在荧光屏荧光屏上将看上将看到什么图形，试着画出到什么图形，试着画出 XXYY7.7.如果偏转电极如果偏转电极YYYY之间还之间还是上述正弦电压，而在偏转是上述正弦电压，而在偏转电极电极XXXX之间加扫描电压之间加扫描电压（锯齿状（锯齿状) )，在在荧光屏荧光屏上将上将看到什么图形，试着画出看到什么图形，试着画出XXYY 如果在如果在XXXX偏转板上加扫描电压的同时，偏转板上加扫描电压的同时，在在YYYY偏转板上加随时间而变化的电压（周期偏转板上加随时间而变化的电压（周期与扫描电压相同），我们就可以在荧光屏上看与扫描电压相同），我们就可以在荧光屏上看到与到与YYYY偏转板上的偏转板上的电压随时间而变化电压随时间而变化的情况的情况相同的波形相同的波形当亮斑一个接一个非常快速的打当亮斑一个接一个非常快速的打在荧光屏上，由于视觉暂留，我在荧光屏上，由于视觉暂留，我们看到的将是一个稳定的们看到的将是一个稳定的图象图象即即信号信号电压（电压（YY偏转板上所加电压）偏转板上所加电压）随时间变化图象随时间变化图象例题例题1、如图、如图10.5-1 甲，某装置中，多个横截甲，某装置中，多个横截面积相同的金属圆筒依次排列，其中心轴线面积相同的金属圆筒依次排列，其中心轴线在同一直线上，圆筒的长度依照一定的规律依在同一直线上，圆筒的长度依照一定的规律依次增加。序号为奇数的圆筒和交变电源的一个次增加。序号为奇数的圆筒和交变电源的一个极相连，序号为偶数的圆筒和该电源的另一个极相连，序号为偶数的圆筒和该电源的另一个极相连。极相连。交变电源两极间电势差的变化交变电源两极间电势差的变化规律如图规律如图10.5-1 乙所示。在乙所示。在t 0 时，奇数圆筒相对偶数圆筒时，奇数圆筒相对偶数圆筒的电势差为正值，此时位于和的电势差为正值，此时位于和偶数圆筒相连的金属圆板（序偶数圆筒相连的金属圆板（序号为号为0）中央的一个电子，在）中央的一个电子，在圆板和圆筒圆板和圆筒1 之间的电场中由之间的电场中由静止开始加速，沿中心轴线冲静止开始加速，沿中心轴线冲进圆筒进圆筒1。为使电子运动到圆筒与圆筒之间各为使电子运动到圆筒与圆筒之间各个间隙中都能恰好使静电力的方向个间隙中都能恰好使静电力的方向跟运动方向相同而不断加速，圆筒跟运动方向相同而不断加速，圆筒长度的设计必须遵照一定的规律。长度的设计必须遵照一定的规律。若已知电子的质量为若已知电子的质量为m、电子电荷、电子电荷量为量为e、电压的绝对值为、电压的绝对值为u，周期为，周期为T，电子通过圆筒间隙的时间可以忽略电子通过圆筒间隙的时间可以忽略不计。则金属圆筒的长度和它的序不计。则金属圆筒的长度和它的序号之间有什么定量关系？第号之间有什么定量关系？第n个金属个金属圆筒的长度应该是多少？圆筒的长度应该是多少？直线加速器直线加速器