2022年高中物理十大难点之电子在电场中的运动.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载难点之八 带电粒子在电场中的运动一、难点形成缘由：1、由于对平抛运动规律、牛顿运动规律、匀变速运动规律的懂得不深切,导致争论带电粒子在电场中的运动规律时,形成已有学问的负迁移和前摄抑制,显现了新旧知识的干扰和混淆；2、环绕电场、带电粒子问题中的力学学问（如：库仑定律、电场强度、电场力、电场线）与能量学问（如：电势、电势能、电势差、等势面、电势能的变化、电场力的功）模糊混淆导致了认知的困难；3、在解答“ 带电粒子在匀强电场中运动” 的问题时,常常因能否忽视带电粒子所受的重力而导致错误；4、同学对物理学问把握不全,应用数学处理

2、物理问题的才能、综合分析才能不达标导致解题的困难；二、难点突破策略：带电微粒在电场中运动是电场学问和力学学问的结合,分析方法和力学的分析方法是基本相同的： 先受力分析, 再分析运动过程,挑选恰当物理规律解题；处理问题所需的学问都在电场和力学中学习过了,关键是怎样把学过的学问有机地组织起来,这就需要有较强的分析与综合的才能,为有效突破难点,学习中应重视以下几方面：1. 在分析物体受力时,是否考虑重力要依据详细情形而定；（ 1）基本粒子：如电子、质子、 粒子、离子等,除有说明或有明确的示意以外一般都忽视不计；2）带电颗粒：如尘埃、液滴、小球等,除有说明或有明确的示意以外一般都不能忽视；“ 带电粒子

3、”一般是指电子、 质子及其某些离子或原子核等微观的带电体,它们的质量都很小, 例如： 电子的质量仅为 0.91 10-30 千克、质子的质量也只有 1.67 10-27 千克；（有些离子和原子核的质量虽比电子、质子的质量大一些,但从“ 数量级” 上来盾,仍旧是很小的；）假如近似地取 g=10 米/ 秒 2,就电子所受的重力也仅仅是 meg=0.91 10-30 10=0.91 10-29 牛 ；但是电子的电量为 q=1.60 10-19 库（虽然也很小,但相对而言 10-19 比 10-30 就大了 10-11 倍）,假如一个电子处于 E=1.0 10 4 牛/ 库的匀强电场中 （此电场的场强

4、并不很大）,那这个电子所受的电场力 F=qE=1.60 10-19 1.0 10 4=1.6 10-15（牛）,看起来虽然也很小,但是比起前面算出的重力就大多了（从“ 数量级” 比较,电场力比重力大了 10 14倍）,由此可知：电子在不很强的匀强电场中,它所受的电场力也远大于它所受的重力qEmeg；所以在处理微观带电粒子在匀强电场中运动的问题时,一般都可忽视重力的影响；但是要特殊留意：有时争论的问题不是微观带电粒子,而是宏观带电物体,那就不答应忽略重力影响了；例如：一个质量为 1 毫克的宏观颗粒,变换单位后是 1 10-6 千克,它所受的重力约为 mg=1 10-6 10=1 10-5（牛）,

5、有可能比它所受的电场力仍大,因此就不能再忽视重力的影响了；2加强力学学问与规律公式的基础教学,循序渐进的引入到带电粒子在电场中的运动,注意揭示相关学问的区分和联系；3留意带电粒子在电场中运动的过程分析与运动性质分析（平稳、加速或减速、轨迹是直线仍是曲线）,留意从力学思路和能量思路考虑问题,且两条思路并重；同时挑选好解决问题的物理学问和规律；带电粒子在匀强电场中的运动,是一种力电综合问题；解答这种问题常常运用电场和力学两方面的学问和规律,详细内容如下：名师归纳总结 所需电场的学问和规律有：EF F=qE；W=qU； E qU ；电场线的性质和分布；等势 d第 1 页,共 12 页- - - -

6、- - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载面的概念和分布：电势、电势差、电势能、电场力做功与电势能变化关系；所需力学的学问和规律有：牛顿其次定律 F=ma；动能定理 W= Ek；动能和重力势能的概念和性质； 能的转化和守恒定律；匀变速直线运动的规律；抛物体运动的规律；动量定理；动量守恒定律；解答“ 带电粒子在匀强电场中运动”的问题, 既需要把握较多的物理学问,又需要具有肯定的分析综合才能；处理带电粒子运动问题的一般有三条途径：（1）匀变速直线运动公式和牛顿运动定律（2）动能定理或能量守恒定律（3）动量定理和动量守恒定律处理直线变速运动问题,除非题目指定求

7、加速度或力,否就最好不要用牛顿其次定律来运算； 要优先考虑使用场力功与粒子动能变化关系,使用动能定理来解,特殊是在非匀强电场中, 我们无法使用牛顿其次定律来处理的过程,而动能定理只考虑始末状态,不考虑中间过程； 一般来说, 问题涉准时间就优先考虑冲量、动量, 问题涉及空间就优先考虑功、动能；对带电粒子在非匀强电场中运动的问题,对中同学要求不高,不会有难度过大的问题；4强化物理条件意识,运用数学工具（如,抛物线方程、直线方程、反比例函数等）加以分析求解；（一）带电粒子的加速1. 运动状态分析带电粒子沿与电场线平行的方向进入匀强电场,受到的电场力与运动方向在同始终线上,做加速（或减速）直线运动；2

8、. 用功能观点分析粒子动能的变化量等于电场力做的功；（1）如粒子的初速度为零,就qU=mv 2/2,V=2qU就带电m（2）如粒子的初速度不为零,就qU=mv 2/2- mv0 2/2, V=V22qU0m3. 用牛顿运动定律和运动学公式分析：带电粒子平行电场线方向进入匀强电场,粒子做匀变速直线运动,可由电场力求得加速度进而求出末速度、位移或时间；说明 ：（1）不管是匀强电场仍是非匀强电场加速带电粒子W=qU都适应,而W=qEd,只适应于匀强电场 . （2）对于直线加速, 实质上是电势能转化为动能,解决的思路是列动能定理的方程（能量观点）来求解；例 1：如图 8-1 所示,带电粒子在电场中的加

9、速：在真空中有一对平行金属板,两板间加以电压U,两板间有一个带正电荷q 的带电粒子,它在电场力的作用下,由静止图 8-1 电势能开头从正极板向负极板运动,到达负极板时的速度有多大？（不考虑带电粒子的重力）【审题 】此题是带电粒子在匀强电场中的加速问题,物理过程是电场力做正功,削减,动能增加,利用动能定理便可解决；【解析】 带电粒子在运动过程中,电场力所做的功 动能 EK=1 2 mv 2,W=qU；设带电粒子到达负极板时的名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 由动能定理1 qU= 2 mv2优秀学习资料欢迎下载得： v

10、=2qU m【总结】 上式是从匀强电场中推出来的,如两极板是其他外形,中间的电场不是匀强电场,上式同样适用；例 2：以下粒子从初速度为零的状态经过加速电压为U的电场之后,哪种粒子的速度最大？（A）a 粒子（B）氚核（C）质子（D）钠离子Na【审题 】解答此题需要把带电粒子在电场中加速的学问与原子核学问联系起来；1此题已知电场的加速电压为 U,要判定的是粒子被加速后的速度 v 的大小,因此采用 qU 1 mv 2 分析问题比较便利；212如以 mp 表示质子 1H的质量、以 e 表示质子的电量,就依据所学过的原子核学问可知 粒子 2 4 He 的质量应为 4mp、电荷量应为 2e；氚核 1 3

11、H 的质量应为 3mp、电量应为 e；钠离子 N a 的质量比其它三种粒子的质量都大（由于是挑选判定题, 对此未记质量数也无妨）、电量应为 e；【解析】1 依据qU12 mv 可以导出下式：v2qUq 成正比； v 与m2m由此可知：对于各种粒子来说,加速电压 U都是相同的； 因此 v 与成反比；由于质子和钠离子所带的电量相同,而钠离子的质量却比质子大得多,所以可肯定电场加速后的质子速度应比钠离子大得多；因此选项（D）第一被淘太；2为了严格和谨慎起见,我们对被加速后的 粒子、氚核、质子的速度进行以下推导：对于 粒子质量为 4mp、电量为 2e va 2 q a U 2 2 eU eUm a 4

12、 mp m p对于氚核质量为 3mp、电量为 e v 氚 3 2 eUm p 23 m eUp对于质子质量为 mp电量为 e 2 eU eUv p m p 2m p从比较推导的结果中知：质子的速度 VP 最大,正确答案为（C）；【总结】 此题关键是正确使用动能定理,正确得出速度的表达式,由表达式加以争论,进而得出正确选项；名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载例 3：如图 8-2 所示, 真空中相距 d=5 cm的两块平行金属板 A、B与电源连接 图中未画出 ,其中 B 板接地（电势为零） ,A

13、板电势变化的规律如图 8-3 所示 . 将一个质量 m=2.0 10-23 kg,电量 q=+1.6 10-1C的带电粒子从紧临B板处释放,不计重力. 求：图 8-2 图 8-3 1 在 t=0 时刻释放该带电粒子,释放瞬时粒子加速度的大小 ; 2 如 A板电势变化周期 T=1.0 10-5 s, 在 t=0 时将带电粒子从紧临 B 板处无初速释放,粒子到达 A 板时动量的大小；3A 板电势变化频率多大时,在 t= T 到 t= T 时间内从紧临 B 板处无初速释放该带电粒子,4 2粒子不能到达 A 板 . 【审题 】此题需要正确识别图像,由图像供应的信息分析带电粒子在电场中的受力,由受力情形

14、得出粒子的运动情形,挑选正确的物理规律进行求解；【解析】名师归纳总结 电场强度 E =U d2m t3 T向 A 板做匀减速运动,第 4 页,共 12 页带电粒子所受电场力FEqUq,F=madaUq4.0 1092 m sdm粒子在 0 T 时间内走过的距离为2故带电粒在在 t T时恰好到达21 2T25.0 102A 板T依据动量定理,此时粒子动量pFt4.0 1023kgm/s 带电粒子在tTtT向 A 板做匀加速运动,在t4224速度减为零后将返回,粒子向A板运动的可能最大位移s21a T21aT22416要求粒子不能到达A板,有 s ；C,由电场力做功（ 3）由电场线的疏密分布（或由

15、E=kQ/r2）得EA=ECEB；A=（ 4）因粒子从AB 电场力做负功,由动能定理可知EkBEkB；【 总结】该种类型的题目分析方法是：先画出入射点轨迹的切线,即画出初速度 v 0的方向,再依据轨迹的弯曲方向,确定电场力的方向,进而利用力学分析方法来分析其它有关的问题；例 7： 在图 8-8 中 a、b 和 c 表示点电荷a 的电场中的三个等势面,名师归纳总结 它们的电势分别为U、2 U、31 U；一带电粒子从等势面 4a 上某处由v,就它经过等势面 图 8-8 第 6 页,共 12 页静止释放后,仅受电场力作用而运动,已知它经过等势面b 时的速率为- - - - - - -精选学习资料 -

16、 - - - - - - - - c 的速率为；优秀学习资料欢迎下载【审题 】1已知 a、b、c 三点的电势的大小关系为U2 U 31 U依据“ 电场线的方向总是由电势 4Q高的等势面指向电势低的等势面” 的性质,可分析出此题中的电场线方向是由场源点电荷为中心向四处放射的,而这样分布电场线的场源点电荷应当是带正电的；2原先处于静止状态的带电粒子,如仅受电场力作用应做加速运动；应沿着电场线的方向由电势高处向电势低处运动；说明：前面所说的加速运动不肯定是匀加速运动；只有在匀强电场中带电粒子才会作匀加速运动； 在非匀强电场中（例如在点电荷场源的电场中）由于各处的电场强度不同,电荷所受的电场力的大小是

17、变化的,所以加速度的大小也是变化的；3解答此题选用的主要关系式为：qU ab 12 mv 2a 12 mv 2b式中 Uab两等势面的电势差,va、vb 为带电粒子经过时 a、b 等势面时的速率； （对于 b、c两等势面也存在同样形式的关系式；）【 解析】设：带电粒子的电量为 q；a、b 两等势面的电势差为 Uab, b、c 两等势面的电势差 Ubc；带电粒子经过等势面 a、 b、c 时的速率分别为 Va、Vb、 Vc；（已知： Va=0,Vb=v）就：qUab12 mv b1mv2 b22qUbc1mv 2c1mv2 b22将、两式相除可得：名师归纳总结 Uabv2 b 2 cv2 a在第

18、7 页,共 12 页Uvv2 bbc将U abU2U1U、UbC2U1U5U、V a0、V bv 代入式：3334121 U35 U12v2022 v av24v25v2 av25 v24 42 v a2 v a4 v29 v2v 09 v23 v1 . 5 v42所以,带电粒子经过等势面c 的速度为 1.5v ；【总结】 带电粒子在非匀强电场中运动牵扯到动能变化时通常用动能定理求解比较便利,- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载分析问题时分清物理过程是特别关键的；（六）考虑受重力或其它恒力作用时的带电物体的运动问题如带电微粒除受电场

19、力作用外,仍受到重力或其它恒力作用,同样要分解成两个不同方向的简洁的直线运动来处理；例 8：质量 m=0.1g,带电荷量10-7C的带电微粒以v 0=10m/s 的速度从水平图 8-9 放置的平行金属板 A、 B 的中心飞入板间,如图 8-9 所示,已知板长 L=1.0m,板间距离 d=0.06m,当 UAB=10 3 伏时,带电粒子恰好沿直线穿过板间,就 AB间所加电压在什么范畴内带电粒子能从板间飞出？【审题 】当 UAB=10 3伏时,带电粒子恰好沿直线穿过板间,说明微粒的重力要考虑,要使带电粒子能从板间飞出,AB 间所加电压必定是一个范畴,从上板边缘飞出对应最高电压,从下板边缘飞出对应最

20、低电压,利用平稳条件、牛顿其次定律及运动学公式便可求出；【解析】 带电微粒在板间受电场力和重力的作用,做类平抛运动,当微粒刚好打中下板右边缘时,有：v 0, d/2 可得=dv 0 2/L2=6.0m/s2：mg-qU1/d=ma1对微粒,有（以向下为正）所以 U1=m（g-a1）d/q=60V 当微粒刚好打中上板右边缘时,有：v0,2 d/2 可得2=dv0 2/L2=6.0m/s2对微粒,有（以向上为正）： Qu2/d -mg=ma2所以 U2=m（g+a2）d/q=240V 要使带电微粒能穿出极板,就两极板间的电压 即： UU应满意： U1UU2,【总结】 如带电微粒除受电场力作用外,仍

21、受到重力或其它恒力作用,同样要分解成两个不同方向的简洁的直线运动来处理；例 9：如图 8-10 所示,水平放置的A、B两平行板相距h,有一质量为 m,带电量为 +q 的小球在 B板之下 H处以 v0 初速度竖直向上进入两板间,欲使小球恰好打到 A处,试争论 A、B板间的电势差是多少？【审题 】小球在 B 板下方时,只受重力作用,做减速运动,小球进入到两板间时,除受向下的重力外,仍受到电场力的作用,设的条件,电场力的方向未知,需要分两种情形争论解决；【解析】 当电场力向下时, A B,由动能定理得-qU AB-mgH+h=- 1 2 mv 0 2, UAB=mv 0 2-2gH+h /2q 当电

22、场力向上时, A B,由动能定理得1qUBA-mgH+h=- 2 mv 0 2, UBA=m2gH+h-v 0 2/2q向上做减速运动,但由题 图 8-10 【总结】此题在求解过程中可分段使用牛顿其次定律和运动学公式,也可分段使用动能定理或全过程使用动能定理,但全过程使用动能定理简洁；名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载例 10：如图 8-11 所示：在方向水平向右的匀强电场中,一不行伸长的不导电细线的一端连着一个质量为 m的带正电的小球,另一端固定于 O点；把小球拉起至细线与场强平行,然后无初

23、速解放； 已知小球摆到最低点的另一侧,线与竖直方向的最大夹角为 ；求：小球经过最低点时细线对小球的拉力；【 审题 】1在此题中,小球摇摆的过程是电荷克服电场力做功（电场力做负功）的过程重力势能削减,电势能增加；依据能的转化和守恒定律可知：重力势能的削减量等于电势l ,就小能的增加量；（说明：此题是宏观小球,重力不能忽视；）图 8-11 2重力对物体所做的功只跟起点和终点的位置有关,而跟物体运动的路径无关；而且 重力所做的功等于物体重力势能的变化；依据这种性质,在此题中如设细线长度为球从释放点到左侧最高点重力势能的削减量应当等于mglcos ；3电场力对电荷所做的功只跟起点和终点的终点的位置有关

24、,而跟电荷运动的路径无关；而且电场力所做的功等于电荷的电势能的变化；依据这种性质, 在此题中如设小球所带电量为 q、场强为 E,就小球从释放点到左侧最高点电势能的增加量应当等于 qEl1+ sin ；（依据 W=qU、U=Ed、d=1+lsin 推导出上面的结果；）4小球摇摆的过程中,重力做正功（重力势能削减）；电场力做负功（电势能增加）,因此正功与负功的代数和（即算术差） 应当等于小球增加的动能；如设小球运动到最低点时的速度为 v,就其数学关系为mglqEl1 mv 22；5在解答此题时,仍需使用圆周运动的向心力关系式,如设小球经过最低点时细线对小球的拉力为T,就应有：Tmgmv2；l【 解

25、析】mglcosqEl1sinmglqEl1 mv 22Tmgmv2l由式可以导出：名师归纳总结 mgl1mv 2qElmgl1mv 212glcos第 9 页,共 12 页22将、两式相除可得：mglcos1sincosgl1v2121v 2singlcos1singl1v2glsin221v2 1singl 1sincos2v22gl11singl1sincossin1sin2 gl11cossin- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载将 v 2 值代入式：cos2 gl 1T mg m 1 sinlcosT mg 2 mg 2

26、gl 11 sin2 cos 2 cosT 3 mg mg mg 31 sin 1 sin所以,小球经过最低点时细线对小球的拉力为 mg 3 2 cos；1 sin【总结】 圆周运动是高中物理重点争论的曲线运动,电场中的圆周运动也是近年高考命题的热点, 解决这类问题的基本方法和力学中的情形相同,不同的是仍要考虑电场力的特点；涉及匀强电场中的圆周运动问题时,详细运算做功值时,要充分利用电场力、重力做功与路径无关的性质求解,分别求每个分力的功比求合力的功简洁；例 11：如图 8-12 所示是静电分选器的原理示意图,将磷酸盐和石英的混合颗粒由传送带送至两个竖直的带电平行板上方,颗粒经漏斗从电场区域中

27、心处开头下落,经分选后的颗粒分别装入 A、B 桶中,混合颗粒离开漏斗进入电场时磷酸盐颗粒带正电,石英颗粒带负电,所有颗粒所带的电量与质量之比均为105 C/kg 如已知两板间的距离为 10 cm,两板的竖直高度为50 cm设颗粒进入电场时的初速度为零,颗粒间相互作用不计假如要求两种颗粒离开两极板间的电场区域时有最大的偏转量且又恰好不接触到极板（1）两极板间所加的电压应多大 .（2）如带电平行板的下端距 A、B 桶底高度为 H1.3 m ,求颗粒落至桶底时速度的大小 （g10 m/s 2）【审题 】颗粒在电场中受电场力和重力的作用,图 8-12 在竖直方向上的分运动为自由落体运动,下落距离为极板

28、高度 L,颗粒沿水平方向的分运动为匀加速直线运动,离开电场时颗粒在水平方向为匀变速直线运动规律,利用运动学公式和牛顿运动定律以及动能定理求解；【解析】（1）颗粒在电场中受电场力和重力的作用,在竖直方向上的分运动为自由落体运动,下落距离为极板高度 L,由自由落体运动公式得 L1 gt 22 颗粒沿水平方向的分运动为匀加速直线运动,加速度大小为aqU mdd 1 2 2at2 离开电场时颗粒在水平方向的位移为d ,由匀变速直线运动规律得：2联立、式解得U2 md g1 10 4 V2 qL（2）在颗粒下落的整个过程中,依据动能定理得：名师归纳总结 1qU+mg（L+H）=1 22 mv与实际联系亲

29、密； 颗粒在电场中的做的是初第 10 页,共 12 页2代入数据得： v36.1m/s 6 m/s【总结】 此题是静电分选器的原理的题目,- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 速为零的匀加速直线运动,优秀学习资料欢迎下载应用牛顿其次定律及运动学公式求出电场后做匀变速曲线运动,出两板之间的电压,全程使用动能定理求出颗粒落至桶底的速度；（七）创新思维问题例 12：2003 上海 为争论静电除尘,有人设计了一个盒状容器,容器侧面是绝缘的透亮有2图 8-13 q=+1.0 10-17c,质量机玻璃,它的上下底面是面积A=0.04m的金属板,间距L=0.05m,当连

30、接到U=2500v 的高压电源正负两极时,能在两金属板间产生一个匀强电场,如图 8-13 所示； 现把肯定量匀称分布的烟尘颗粒密闭在容器内,每立方米有 13烟尘颗粒 10个,假设这些颗粒都处于静止状态,每个颗粒带电量为为 m=2.0 10-15kg,不考虑烟尘颗粒之间的相互作用和空气阻力,并忽视烟尘颗粒所受重力；求合上电键后：1 经过多少时间烟尘颗粒可以被全部吸取？2 除尘过程中电场对烟尘颗粒共做了多少功？3 经过多长时间容器中烟尘颗粒的总动能达到最大？【审题 】盒状容器上下底面的金属板接到高压电源的正负极上时,在两金属板间便产生一个匀强电场, 烟尘颗粒在密闭在容器内受到电场力的作用,当最靠近

31、上表面的烟尘颗粒被吸附到下板时, 烟尘就被全部吸附；烟尘颗粒受到电场力作用,向下做初速为零的匀加速直线运动, 由运动学公式和牛顿定律便可求得时间；其次问中把烟尘集中等效处理,电场力对全部烟尘做的功等于电场力对全部烟尘颗粒集中于极板中间位置做的功,第三问中求烟尘颗粒的总动能的最大值,需要列出总动能的表达式,然后利用数学求极值的方法求出最大值；【解析 】（ 1）当最靠近上表面的烟尘颗粒被吸附到下板时,烟尘就被全部吸附；烟尘颗粒受到的电场力 F=qU/L qUxNALxs L1at2qUt222mLt2mL0.02s qU（2）W1NALqU2 =2.5 104（J）（1）设烟尘颗粒下落距离为xE

32、k1mv2NA Lx2L当xL时 EK达最大,mL0. 0142x1 at 22t12x1aqU【总结】 此题是带电粒子在电场中运动详细应用的典型实例,特殊是其次问中把烟尘看名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 12 页精选学习资料 - - - - - - - - - 成集中于板间中间位置的抽象法,优秀学习资料欢迎下载如物体把分散的集中来处理的方法在物理中也是常用的；的重力看成作用在重心上等,此题充分表达了这种把详细问题抱负化的做法在解决物理问题中的技巧,表达了运用物理学问解决实际问题的重要性和特殊的处理方法；名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 12 页