带电粒子在电场中的运动 课件-2023-2024学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册.pptx

人教版必修三第十章静电场中的能量情境与思考情境与思考在现代科学实验和技术设备中，常利用电场来改变或控制带电粒子的运动。在原子物理、核物理领域，带电粒子被加速成高能粒子，轰击原子、原子核，帮助人类认识物质微观结构。北京正负电子对撞机在医学领域，带电粒子被加速后，轰击金属靶，产生的射线，用于放射治疗。医用电子直线加速器【思考】电子在加速器中是受到什么力而加速的？学习任务一：带电粒子在电场中的学习任务一：带电粒子在电场中的加速加速运动运动A AB BU UdE E+【情境】如图所示，在加上电压U并处于真空中相距d的平行金属板间有一正电荷q，质量为m,只在电场力作用下从静止释放。求粒子到达B板的速度。问题1:求金属板间的电场强度E?问题2:求电荷的加速度?问题3:电荷到达B板速度为多大?问题4:还有其他方法求电荷到达B板的速度吗?学习任务一：带电粒子在电场中的学习任务一：带电粒子在电场中的加速加速运动运动A AB BU UdE E+【情境】如图所示，在加上电压U并处于真空中相距d的平行金属板间有一正电荷q，质量为m,只在电场力作用下从静止释放。求粒子到达B板的速度。【深度思考】学习任务一：带电粒子在电场中的学习任务一：带电粒子在电场中的加速加速运动运动AB+FU【延申思考】获得的加速速度：【说明】只要电压U越大，粒子的速度就越大，这样就能获得足够大的速度。不计重力。学习任务一：带电粒子在电场中的学习任务一：带电粒子在电场中的加速加速运动运动AB+FAB+FAB+F【推理与结论】存在减速过程，抵消了前面极板的所提供的能量，所以不能一直加速。【问题】如图多级平行板连接，能否加速粒子（不计重力）？学习任务一：带电粒子在电场中的学习任务一：带电粒子在电场中的加速加速运动运动可以通过不断改变电压方向使带电粒子实现多级加速。【创新设计】学习任务一：带电粒子在电场中的学习任务一：带电粒子在电场中的加速加速运动运动【对加速器设计的思考】可以通过改变电压方向使带电粒子（不计重力）实现多级加速。1.如果电压方向变化时间相等，我们就需要加长极板之间距离。U2.如果我们不改变极板之间的距离就需要不断缩短电压方向变化的时间间隔。UU-Uto学习任务一：带电粒子在电场中的学习任务一：带电粒子在电场中的加速加速运动运动U0u0-u0tT2TU金属圆筒金属圆筒的作用：由于金属导体的静电屏蔽作用，会使金属圆筒内部的电场强度等于0，电子在各个金属圆筒内部都不受静电力的作用，它在圆筒内的运动是匀速直线运动。极板极板的作用：电子在极板间加速。【方案一】学习任务一：带电粒子在电场中的学习任务一：带电粒子在电场中的加速加速运动运动多级直线加速器示意图U0u0-u0tT2TU电子只有在极板之间被加速，射入金属圆筒后，电子做匀速直线运动，每次运动到圆筒右侧极板时，电压方向反向，电子都会被再次被加速，以更大的速度进入下一圆筒内，继续做匀速直线运动；多次重复这一加速过程，电子最终获得较大的速度。学习任务一：带电粒子在电场中的学习任务一：带电粒子在电场中的加速加速运动运动多级直线加速器示意图U0u0-u0tT2TU根据 可知，极板间的距离与速度无关，所以板间距离可以小一些，这样电子通过圆筒间隙的时间可以忽略不计，因此电子匀速穿过每个圆筒运动的时间恰好等于交变电压的周期的一半，为 ，所以每个圆筒的长度等于 l=v 。学习任务一：带电粒子在电场中的学习任务一：带电粒子在电场中的加速加速运动运动【典例1】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。若已知电子的质量为m、电子电荷量为e、电压的绝对值为u，周期为T，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号之间有什么定量关系？第n个金属圆筒的长度应该是多少？学习任务二：学习任务二：带电粒子在电场中的偏转如图，一带电粒子以垂直匀强电场的场强方向以初速度如图，一带电粒子以垂直匀强电场的场强方向以初速度v0 射入射入电场，若不计粒子的重力，带电粒子将做什么运动？电场，若不计粒子的重力，带电粒子将做什么运动？1.1.受力分析：受力分析：仅受仅受竖直向下竖直向下的电场力的电场力做做类平抛运动类平抛运动2.2.运动分析：运动分析：v0q、mLd-+U+垂直垂直电场方向：匀速直线运动电场方向：匀速直线运动沿电沿电场方向：初速度为零的匀加速直线运动场方向：初速度为零的匀加速直线运动学习任务二：学习任务二：带电粒子在电场中的偏转v0q、mLd-+U+v0ya(1)(1)沿初速度方向：沿初速度方向：(2)(2)垂直于初速度方向：垂直于初速度方向：（1 1）偏转距离：）偏转距离：（2 2）偏转角度：）偏转角度：a速度的反向延长交于水平位移的中点速度的反向延长交于水平位移的中点学习任务二：学习任务二：带电粒子在电场中的偏转 Ld-+Uv0q、m+vyvv0y1.1.飞行时间飞行时间：2.2.加速度加速度：3.3.竖直分速度竖直分速度：4.4.竖直分位移：竖直分位移：5.5.速度偏转角速度偏转角：学习任务二：学习任务二：带电粒子在电场中的偏转1.1.初初速速度度相相同同的的带带电电粒粒子子，无无论论m m、q q是是否否相相同同，只只要要q/mq/m相相同同，则则偏偏转转距距离离y y和和偏偏转转角角度度都都相相同同。(即轨迹重合即轨迹重合)当偏转电场的当偏转电场的U、L、d一定：一定：Ld-+Uv0q、m+vyvv0y2.2.初初动动能能相相同同的的带带电电粒粒子子，只只要要q q相相同同，无无论论 m m 是是否否相相同同，则则偏偏转距离转距离y y和偏转角度和偏转角度都相同都相同。(即轨迹重合即轨迹重合)（1）电子经过电压U加速后的速度vx的大小；（3）电子离开偏转电场时的速度方向与刚进入该电场时的速度方向之间的夹角。（2）电子在偏转电场中运动的加速度a的大小；学习任务二：学习任务二：带电粒子在电场中的偏转学习任务三：学习任务三：示波管的原理加速电压 电子枪偏转电极亮斑亮斑荧光屏+电子枪电子枪产生电子束产生电子束+加速电压加速电压 【示波管的构造】学习任务三：学习任务三：示波管的原理-+XXXXY YYYY Y电子枪电子枪电子枪电子枪偏转电极偏转电极偏转电极偏转电极荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏【】如果在电极XX之间不加电压，而在YY之间也不加电压，电子将打在荧光屏的什么位置？学习任务三：学习任务三：示波管的原理【】如果在电极XX之间不加电压，而在YY之间加不变电压，使Y的电势比Y高，电子将打在荧光屏的什么位置？-+XXXXY YYYY Y电子枪电子枪电子枪电子枪偏转电极偏转电极偏转电极偏转电极荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏学习任务三：学习任务三：示波管的原理【】如果在电极XX之间不加电压，而在YY之间加不变电压，使Y的电势比Y高，电子将打在荧光屏的什么位置？-+XXXXY YYYY Y电子枪电子枪电子枪电子枪偏转电极偏转电极偏转电极偏转电极荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏学习任务三：学习任务三：示波管的原理【】如果在XX之间不加电压，而在YY之间加按图示的规律变化的电压，在荧光屏会看到的什么样的图形？XXY YYUYtOY 随信号电压同步随信号电压同步变化，但由于视觉变化，但由于视觉暂留和荧光物质的暂留和荧光物质的残光特性，只能看残光特性，只能看到到一条竖直的亮线一条竖直的亮线。学习任务三：学习任务三：示波管的原理【】如果在电极YY之间不加电压，而在XX之间加不变电压，使X的电势比X高，电子将打在荧光屏的什么位置？-+XXXXY YYYY Y电子枪电子枪电子枪电子枪偏转电极偏转电极偏转电极偏转电极荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏学习任务三：学习任务三：示波管的原理【】如果在电极YY之间不加电压，而在XX之间加不变电压，使X的电势比X高，电子将打在荧光屏的什么位置？-+XXXXY YYYY Y电子枪电子枪电子枪电子枪偏转电极偏转电极偏转电极偏转电极荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏学习任务三：学习任务三：示波管的原理【】若XX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一一扫描，如果扫描电压变化很快，亮斑看起来为一条水平的亮线。UXt扫描电压扫描电压扫描电压扫描电压示波器图象示波器图象示波器图象示波器图象OXXY YY学习任务三：学习任务三：示波管的原理【】如果在YY之间加如图所示的交变电压，同时在XX之间加锯齿形扫描电压，在荧光屏上会看到什么图形？ABCDFABCt1DEFt2XXY YYtOUYUXOtABCDEEFt2t1t2t1学习任务三：学习任务三：示波管的原理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一个周期内随时间变化的稳定图象。示示波波器器图图象象tOUYUXOtXXY YY学习任务三：学习任务三：示波管的原理【典例3】（2022湖北襄阳五中模拟预测）图甲为示波管的原理图。电子枪源源不断发射的电子经前面的加速电压加速之后已经获得了极大的速度，如果在电极 之间所加的电压按图乙所示的规律变化，在电极 之间所加的电压按图丙所示的规律变化，则在荧光屏上会看到的图形可能为（）A BC DB