《带电粒子在电场中的运动》.ppt
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1、仪器名称:示波器仪器名称:示波器 型型 号:号:COS5100系统运行时,数以系统运行时,数以1010亿计的电子就亿计的电子就将从这条加速管中以接近光速冲进将从这条加速管中以接近光速冲进储存环中发生碰撞储存环中发生碰撞 北京正负电子对撞机加速器的北京正负电子对撞机加速器的起点起点 1.9 1.9 带电粒子在电场带电粒子在电场 中的运动中的运动v教材分析教材分析v本节内容是历年高考的重点内容。其综合性强,理论本节内容是历年高考的重点内容。其综合性强,理论分析要求高,带电粒子的加速是电场的能的性质的应分析要求高,带电粒子的加速是电场的能的性质的应用;带电粒子的偏转则侧重于电场的力的性质,通过用;带
2、电粒子的偏转则侧重于电场的力的性质,通过类比恒力作用下的曲线运动(平抛运动),理论上探类比恒力作用下的曲线运动(平抛运动),理论上探究带电粒子在电场中偏转的规律。此外专题既包含了究带电粒子在电场中偏转的规律。此外专题既包含了电场的基本性质,又要运用直线和曲线运动的规律,电场的基本性质,又要运用直线和曲线运动的规律,还涉及到能量的转化和守恒,有关类比和建模等科学还涉及到能量的转化和守恒,有关类比和建模等科学方法的应用也比较典型。探究带电粒子的加速和偏转方法的应用也比较典型。探究带电粒子的加速和偏转的规律,只要做好引导,学生自己是能够完成的,而的规律,只要做好引导,学生自己是能够完成的,而且可以提
3、高学生综合分析问题的能力。且可以提高学生综合分析问题的能力。3 3、某些带电体是否考虑重力,要根据题目暗示或运、某些带电体是否考虑重力,要根据题目暗示或运动状态来判定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 1、带电的基本粒子:如电子,质子,、带电的基本粒子:如电子,质子, 粒子,正负粒子,正负离子等。这些粒子所受重力和电场力相比小得多,离子等。这些粒子所受重力和电场力相比小得多,除非有说明或明确的暗示以外,一般都不考虑重力。除非有说明或明确的暗示以外,一般都不考虑重力。(但并不能忽略质量)。(但并不能忽略质量)。2 2、带电微粒:如带电小球、液滴、尘埃等
4、。除非有、带电微粒:如带电小球、液滴、尘埃等。除非有说明或明确的暗示以外,一般都考虑重力。说明或明确的暗示以外,一般都考虑重力。带电粒子在匀强电场中带电粒子在匀强电场中运动情况:运动情况:受到恒定的电场力受到恒定的电场力受力情况:受力情况: 做匀变速运动做匀变速运动一一. 带电粒子在电场中的加速带电粒子在电场中的加速用牛顿运动定律分析用牛顿运动定律分析用动能定理分析用动能定理分析00v?tvUE1(加速电压)(加速电压)qUm+_带电粒子的加速带电粒子的加速 d d1 1、受力分析、受力分析: : 水平向右的电场力水平向右的电场力 F FEqEq= =qU/dqU/dF F2 2、运动分析、运
5、动分析: :初速度为零,加速度初速度为零,加速度为为a=a=qU/mdqU/md的向右的向右匀匀加速直线运动加速直线运动。解法一运用运动学知识求解解法一运用运动学知识求解mqUdmdqUadv2222mqUv2解法二运用能量知识求解解法二运用能量知识求解mqUvmvqU2212粒子加速后的速度只与加速电压有关粒子加速后的速度只与加速电压有关思考题思考题 如两极板间不是匀强电场该如两极板间不是匀强电场该用何种方法求解?为什么?用何种方法求解?为什么? 由于电场力做功与场强是由于电场力做功与场强是否匀强无关,与运动路径也否匀强无关,与运动路径也无关,第二种方法仍适用!无关,第二种方法仍适用!所以所
6、以例例1 结论:结论:由于电场力做功与场强是否由于电场力做功与场强是否匀强无关,与运动路径也无关,所匀强无关,与运动路径也无关,所以在处理电场对带电粒子的以在处理电场对带电粒子的加速加速问问题时,一般都是利用题时,一般都是利用动能定理动能定理进行进行处理。处理。 例例2:如图所示,在:如图所示,在P板附近有一电子由静止开板附近有一电子由静止开始向始向Q板运动,则关于电子在两板间的运动情况,下板运动,则关于电子在两板间的运动情况,下列叙述正确的是:列叙述正确的是:( )A.两板间距越大,加速的时间越长两板间距越大,加速的时间越长B.两板间距离越小,加速度就越大,两板间距离越小,加速度就越大,则电
7、子到达则电子到达Q板时的速度就越大板时的速度就越大C.电子到达电子到达Q板时的速度与板间距板时的速度与板间距离无关,仅与加速电压有关离无关,仅与加速电压有关D.电子的加速度和末速度都与板间电子的加速度和末速度都与板间距离无关距离无关 AC ld+- - - - - - - - - - - + + + + + + + + + Uv0q、m二二. 带电粒子在电场中的偏转带电粒子在电场中的偏转 ld+- - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + +Uv0q、mF+vv0vyy偏转角偏转角侧移侧移二二. 带电粒子在电场中的偏转带电粒子在电场中的偏转试根据类平抛运动
8、的知识,推导偏移量试根据类平抛运动的知识,推导偏移量 y和偏转角和偏转角1. 1.受力分析:粒子受到竖直向受力分析:粒子受到竖直向下的静电力下的静电力F FEqEq=qU/dqU/d。2 2. .运动规律分析运动规律分析: :粒子作粒子作类平抛类平抛运动运动。x x方向:方向:匀速直线运动匀速直线运动Y Y方向:方向:加速度为加速度为 的的匀匀加速直线加速直线运动运动。mdqUa v v v v0 0vy 3. 3. x方向方向 L4. 4. y方向方向 xvyvy5 5、离开电场时的偏转角度的正切:、离开电场时的偏转角度的正切:tv020221vLmdqU0v0vLmdqU200mdvqUL
9、vvytan y y v v0 0vy F Fv v+ + + + + +- - - - - -v0Y dUY Y q L L结论:带电粒子初速度垂直于电场方向飞入结论: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匀强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初速为零的匀加速运动加速运动例例3 L LmqUv102122202242dULUvLmdqUy12202tandULUmdvLqU三、三、 加速和偏转一体加速和偏转一体+-vv0vy+
10、_U1U2v0-qmy 让一价氢离子、一价氦离子和二价氦离子的混合物让一价氢离子、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,然后在同一偏转电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,在通过加速电场时获得的动能是否相同?通场里偏转,在通过加速电场时获得的动能是否相同?通过偏转电场时,它们是否会分为三股?请说明理由。过偏转电场时,它们是否会分为三股?请说明理由。答案:答案: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, ,加速电压相加速电压相同,二价氦离子电荷量最大,所以二价氦离子获得动同,二价氦离子电荷量最大,所以二价氦离子获得动能最
11、大。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,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三股。所以三种粒子不可能分开为三股。122202242dULUvLmdqUyvvyy L L+- -v0+-U1U2v0-qm思思考考题题 例例4 4:离子发生器发射出一束质量为:离子发生器发射出一束质量为mm,电荷量为,电荷量为q q的负离子,从静止的负离子,从静止 经加速电压经加速电压U U 1 1 加速后,获得速度加速后,获得速度v v0 0 ,并沿垂直于电场线方向射入两平行板中央,受偏,并沿垂直于电场线方向射入两平行板中央,受偏转电压转电压U U2 2作用后
12、,以速度作用后,以速度离开电场,已知平行板长离开电场,已知平行板长为为,两板间距离为,两板间距离为d d, 1 1)离子在偏转电场中运动)离子在偏转电场中运动 的时间、加速度、速度的时间、加速度、速度 的大小;的大小; 2 2)离子在离开偏转电场时)离子在离开偏转电场时 的沿电场方向的偏移量和的沿电场方向的偏移量和 偏转角的正切值。偏转角的正切值。 l+ + + + + +- - - - - -u u1 1dv v0 0 求:求: 例例5: 一束电子流经一束电子流经 U=5000V 的电的电压加速后,在距两极板等间距处垂直进压加速后,在距两极板等间距处垂直进入平行板间的匀强电场中,若两板间距入
13、平行板间的匀强电场中,若两板间距 d=1.0cm,板长,板长 l=5.0cm,那么,要使电,那么,要使电子能从平行板间飞出,两个板之间的电子能从平行板间飞出,两个板之间的电压最多能加多少?压最多能加多少?四四、示波器的原理、示波器的原理1.示波器作用:是一种用来观察电信号随时间变化的电子仪器。2.它的核心部件是示波管:由电子枪、偏转电极和荧光屏组成,管内抽成真空。产生产生高速高速飞飞行的行的电子束电子束待显示待显示的的电压信号电压信号锯齿形锯齿形扫扫描电压描电压使电子沿使电子沿Y Y方向方向偏移偏移使电子沿使电子沿x x方向方向偏移偏移四、示波器的原理四、示波器的原理已知:已知:U1、l、YY
14、?偏转电极的电压偏转电极的电压U2、板间距、板间距d 、 板端到荧光屏的距离板端到荧光屏的距离L。求:电子射出偏转电场时的偏向角正切值求:电子射出偏转电场时的偏向角正切值tan及打及打到屏上电子的偏移量到屏上电子的偏移量y?。122tandUlU Lly 2tan LlydUlU 2212yyUKULldUly 21)2(2偏移量与偏移量与YY?偏偏转电极的电压转电极的电压U2成正比成正比3.原理原理1 1)、如果在电极)、如果在电极XXXX之间不加电压,而在之间不加电压,而在YYYY之间加之间加不变电压不变电压,使,使Y Y的电势比的电势比YY高,高,电子将打在荧光屏的什么位置?电子将打在荧
15、光屏的什么位置?电子沿电子沿Y Y方方向向向上向上偏移偏移四、示波器的原理四、示波器的原理yyUKy xxUKx 2 2)、如果在电极)、如果在电极XXXX之间不加电压,而在之间不加电压,而在YYYY之间加之间加不变电压不变电压,使,使YY的电势比的电势比Y Y高,高,电子将打在荧光屏的什么位置?电子将打在荧光屏的什么位置?电子沿电子沿Y Y方方向向向下向下偏移偏移四、示波器的原理四、示波器的原理yyUKy 3 3)、)、如果在电极如果在电极 YY之间不加电压,但在之间不加电压,但在XX之间加之间加不变电压不变电压,使,使X的电势比的电势比X高,电高,电子将打在荧光屏的什么位置?子将打在荧光屏
16、的什么位置?电子沿电子沿X X方方向向向里向里偏移偏移四、示波器的原理四、示波器的原理xxUKx 4 4)、)、如果在电极如果在电极 YY之间不加电压,但在之间不加电压,但在XX之间加之间加不变电压不变电压,使,使X的电势比的电势比X高,电高,电子将打在荧光屏的什么位置?子将打在荧光屏的什么位置?电子沿电子沿X X方方向向向外向外偏移偏移四、示波器的原理四、示波器的原理xxUKx 5 5)、如果在电极)、如果在电极XXXX之间不加电压,但在之间不加电压,但在YYYY之间加如图所示的之间加如图所示的交变电压交变电压,在荧光屏,在荧光屏上会看到什么图形?上会看到什么图形?0tt0tt1 1电子沿电
17、子沿Y Y方向方向向上向上偏移偏移四、示波器的原理四、示波器的原理yyUKy 6 6)、如果在电极)、如果在电极XXXX之间不加电压,但在之间不加电压,但在YYYY之间加如图所示的之间加如图所示的交变电压交变电压,在荧光屏,在荧光屏上会看到什么图形?上会看到什么图形?t t1 1tttt2 2电子沿电子沿Y Y方向方向向下向下偏移偏移四、示波器的原理四、示波器的原理yyUKy 7 7)、如果在)、如果在YYYY之间加如图所示的之间加如图所示的交变电交变电压压,同时在,同时在XXXX之间加之间加不变电压不变电压,使,使X X的电的电势比势比XX高高,在荧光屏上会看到什么图形?在荧光屏上会看到什么
18、图形?0tt0tt1 1电子沿电子沿Y Y方向方向向上向上偏,沿偏,沿X X方向方向向里向里偏偏四、示波器的原理四、示波器的原理yyUKy xxUKx 8 8)、如果在)、如果在YYYY之间加如图所示的之间加如图所示的交变电交变电压压,同时在,同时在XXXX之间加之间加不变电压不变电压,使,使X X的电的电势比势比XX高,在荧光屏上会看到什么图形?高,在荧光屏上会看到什么图形?t t1 1tttt2 2电子沿电子沿Y Y方向方向向下向下偏,沿偏,沿X X方向方向向里向里偏偏四、示波器的原理四、示波器的原理xxUKx yyUKy 8 8)、如果在)、如果在YYYY之间加如图所示的之间加如图所示的
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- 带电粒子在电场中的运动 带电 粒子 电场 中的 运动
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