带电粒子在电场中运动.ppt

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1、仪器名称：示波器器名称：示波器 型型 号：号：COS5100系统运行时，数以系统运行时，数以1010亿计的电亿计的电子就将从这条加速管中以接近子就将从这条加速管中以接近光速冲进储存环中发生碰撞光速冲进储存环中发生碰撞 北京正负电子对撞机加北京正负电子对撞机加速器的起点速器的起点 导入新课：高中物理新课程 人教版E Ev vv v制作：宋建斌新课教学教学三维目标：一、一、知识与技能知识与技能 1 1、了解带电粒子在电场中的运动、了解带电粒子在电场中的运动只受电场力，带电粒子做匀变速运动。只受电场力，带电粒子做匀变速运动。2 2、重点掌握初速度与场强方向垂直的带电粒子在电场中的运动、重点掌握初速度

2、与场强方向垂直的带电粒子在电场中的运动(类平抛运动类平抛运动)。3 3、知道示波管的主要构造和工作原理。、知道示波管的主要构造和工作原理。二、过程与方法二、过程与方法 培养学生综合运用力学和电学的知识分析解决带电粒子在电场中的运动。培养学生综合运用力学和电学的知识分析解决带电粒子在电场中的运动。三、情感态度与价值观三、情感态度与价值观 1 1、渗透物理学方法的教育：运用理想化方法，突出主要因素，忽略次要因素，不计、渗透物理学方法的教育：运用理想化方法，突出主要因素，忽略次要因素，不计粒子重力。粒子重力。2 2、培养学生综合分析问题的能力，体会物理知识的实际应用。、培养学生综合分析问题的能力，体

3、会物理知识的实际应用。带电粒子在电场中的运动 一、带电粒子的平衡二、带电粒子的加速三、带电粒子的偏转四、示波管的原理带电粒子在电场中的运动 研究带电粒子运动的主要工具：研究带电粒子运动的主要工具：电场力电场力 加速度加速度 电场力的功电场力的功 动能定理动能定理 F=qEa=F/mW=qU1.1.带电的带电的基本粒子：基本粒子：电子、质子、离子电子、质子、离子等微观带电等微观带电粒子所受重力一般远小于电场力，重力可以忽略粒子所受重力一般远小于电场力，重力可以忽略（有说明或暗示除外）。（有说明或暗示除外）。注意：忽略粒子的重力并不是忽略粒子的质量注意：忽略粒子的重力并不是忽略粒子的质量.提取题目

4、信息的几点注意：提取题目信息的几点注意：2.2.带电微粒带电微粒：如带电小球、液滴、油滴、尘埃等。：如带电小球、液滴、油滴、尘埃等。除非有说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。除非有说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。3.3.某些某些带电体带电体是否考虑是否考虑重力重力，要根据题目暗示或运动状态，要根据题目暗示或运动状态来判定来判定例：带电粒子在电场中处于静止状态，该粒子带正电还是负电?+-Eqmg分析：带电粒子处于静止状态，F0，Eq=mg，因为所受重力竖直向下，所以所受电场力必为竖直向上。又因为场强方向竖直向下，所以带电体带负电。一、带电粒子的平衡：若带电粒子在电场中所受若带电粒子在电场

5、中所受合力为零时，将保持静止状态或匀速直线运动状态。合力为零时，将保持静止状态或匀速直线运动状态。二、带电粒子的加速二、带电粒子的加速 如如图图所所示示，在在真真空空中中有有一一对对平平行行金金属属板板，两两板板间间加加以以电电压压U U。两两板板间间有有一一带带正正电电荷荷q q的的带带电电粒粒子子。它它在在电电场场力力的的作作用用下下，由由静静止止开开始始从从正正极极板板向向负负极极板板运运动动，到到达达负负板板时时的的速速度度有有多多大大？(不不考考虑虑粒粒子的重力子的重力）qUm+_带电粒子的加速带电粒子的加速 d dqUm+_带电粒子的加速带电粒子的加速 d d1 1、受力分析、受力

6、分析:水平向右的电场力水平向右的电场力 F FEq=qU/dEq=qU/dF F2 2、运动分析、运动分析:初初速速度度为为零零，加加速速度度为为a=qU/mda=qU/md的的向向右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解法二解法二由动能定理可得带电粒子的减速？带电粒子的减速？例题例题1：实验表明，炽热的金属丝可以发射电子。：实验表明，炽热的金属丝可以发射电子。在炽热金属丝和金属板间加以电压在炽热金属丝和金属板间加以电压U=2500V，从，从炽热金属丝发射出的电子在真空中被加速后，从炽热金属丝发射出的电子在真空中被加速后，从金属板的小孔穿出。电子射出

7、后的速度有多大？金属板的小孔穿出。电子射出后的速度有多大？设电子刚从金属丝射出时的速度为零。设电子刚从金属丝射出时的速度为零。解：解：由动能定理可得代入数据得：代入数据得：v=3若初速度不为零到达负板时的速度有多大？若初速度不为零到达负板时的速度有多大？+_UUE加速加速匀速匀速匀速匀速+qmV0V=?二、带电粒子的加速二、带电粒子的加速_+_匀速匀速加速(+q,m)加速后粒子的速度怎样计算呢？由动能定理可得U由牛顿定律得：若在匀强电场中思考题思考题 如如两两极极板板间间不不是是匀匀强强电电场场该该用何种方法求解？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

8、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！学生练习学生练习1 1 如图所示,水平放置的A、B两平行金属板相距为d,现有质量为m,电量为-q的小球,从距A板高h处自由下落,通过小孔C进入电场,但没能到达B板,求AB间电势差的最小值？hdCBA解：（动能定理）在整个过程中，由动能定理得：mg(h+d)-qUmin=0 Umin=mg(h+d)/q 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，

9、一般都是利用动能定理动能定理进行进行处理。处理。1 1、研究带电粒子在电场中运动的两条主要线索研究带电粒子在电场中运动的两条主要线索（1）力和运动的关系）力和运动的关系牛顿第二定律牛顿第二定律（2）功和能的关系）功和能的关系动能定理动能定理2 2、研究带电粒子在电场中运动的两类重要的思维技巧研究带电粒子在电场中运动的两类重要的思维技巧（1）类比与等效）类比与等效电场力和重力都是恒力，在电场力作用下的运动可与重力作用下的电场力和重力都是恒力，在电场力作用下的运动可与重力作用下的运动类比运动类比（2）整体法）整体法(全过程法全过程法)电场力的功与重力的功一样，都只与始末位置有关，与路径无关电场力的

10、功与重力的功一样，都只与始末位置有关，与路径无关它们分别引起电荷电势能的变化和重力势能的变化，从电荷运动它们分别引起电荷电势能的变化和重力势能的变化，从电荷运动的全过程中功能关系出发的全过程中功能关系出发(尤其从静止出发末速度为零的问题尤其从静止出发末速度为零的问题)往往往能迅速找到解题入口或简化计算往能迅速找到解题入口或简化计算小结：小结：三、带电粒子的偏转三、带电粒子的偏转 UL L+-Y dY Y 如如图图所所示示，在在真真空空中中水水平平放放置置一一对对金金属属板板Y Y和和Y Y，板板间间距距离离为为d d。在在两两板板间间加加以以电电压压U U，一一电电荷荷量量为为q q质质量量为

11、为mm的的带带电电粒粒子子从从极极板板中中央央以以水水平平速速度度v v0 0射射入入电电场场。试试分分析析带带电电粒粒子子在在电电场场中中的的运运动情况。动情况。(不计粒子的重力不计粒子的重力)v0 q q类平抛运动带电粒子在电场中的运动 三、带电粒子的偏转：（侧移距离）分析方法沿初速度方向匀速直线运动沿电场力方向初速度为零的匀加速直线运动类平抛运动与粒子比荷与粒子比荷q/m成正比成正比与粒子初速度与粒子初速度v0平方成反比平方成反比与电场的属性与电场的属性U、l、d有关有关带电粒子在电场中的运动 三、带电粒子的偏转：加速度:飞行时间：侧移距离：与粒子比荷与粒子比荷q/m成正比成正比与粒子初

12、速度与粒子初速度v0平方成反比平方成反比与电场的属性与电场的属性U、l、d有关有关类平抛运动带电粒子在电场中的运动 三、带电粒子的偏转：（偏转角）偏转角：加速度:飞行时间：沿电场力方向的速度5.带电粒子离开电场时速度大小。带电粒子离开电场时速度大小。方法方法:根据动能定理求解根据动能定理求解方法方法:根据速度合成求解根据速度合成求解推论推论推论推论：带电粒子垂直进入偏转电场，离开电场时：带电粒子垂直进入偏转电场，离开电场时：带电粒子垂直进入偏转电场，离开电场时：带电粒子垂直进入偏转电场，离开电场时,粒子好象是从入射线中点直接射出来的粒子好象是从入射线中点直接射出来的。xx推论（推论（推论（推论

13、（2 2 2 2）：速度偏向角）：速度偏向角）：速度偏向角）：速度偏向角 和位移偏向角和位移偏向角和位移偏向角和位移偏向角 的关系的关系的关系的关系详细分析讲解例题2。vovv解：粒子解：粒子vo在电场中做类平抛运动在电场中做类平抛运动沿电场方向匀速运动所以有：沿电场方向匀速运动所以有：L=vot 电子射出电场时，电子射出电场时，在垂直于电场方向偏移的距离为：在垂直于电场方向偏移的距离为：y=at2/2 粒子在垂直于电场方向的加速度：粒子在垂直于电场方向的加速度：a=F/m=eE/m=eU/md 由由得：得：代入数据得：代入数据得：y=0.36m即电子射出时沿垂直于板面方向偏离即电子射出时沿垂

14、直于板面方向偏离0.36m电子射出电场时沿电场方向的速度不变仍为电子射出电场时沿电场方向的速度不变仍为vo，而垂直于，而垂直于电场方向的速度：电场方向的速度：故电子离开电场时的偏转故电子离开电场时的偏转角为：角为：代入数据得：代入数据得：=6.8结论：结论：带电粒子初速度垂直于电场方向飞入匀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加初速为零的匀加速运动速运动带电粒子在电场中的运动 六、课堂练习：

15、1 1 1 1、下列粒子由静止经加速电压为下列粒子由静止经加速电压为U U的电场加速后，的电场加速后，哪种粒子动能最大哪种粒子动能最大 （）哪种粒子速度最大哪种粒子速度最大 （）A A、质子、质子 B B、电子、电子 C C、氘核、氘核 D D、氦核、氦核与与电量电量成正比成正比与与比荷平方根比荷平方根成正比成正比带电粒子在电场中的运动 五、课堂小结：一、带电粒子的平衡二、带电粒子的加速三、带电粒子的偏转四、示波管的原理2 2、偏转问题的分析处理方法：、偏转问题的分析处理方法：1 1、运动状态分析：、运动状态分析：2 2、用功能观点分析：、用功能观点分析：1 1、运动状态分析：、运动状态分析：

16、3 3、侧移距离和偏转角：、侧移距离和偏转角：小结+-vv0vyy+_U1U2v0 L L-qm加速和偏转一体加速和偏转一体思考题：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，然后在同一偏转电场里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？通过偏偏转，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。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

17、电加速电压相同，二价氦离子电荷量最大，所以二价氦离子压相同，二价氦离子电荷量最大，所以二价氦离子获得动能最大。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。决定，所以三种粒子不可能分开为三股。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）、电子枪、偏：示波管（内部是真空的）、电子枪、偏 转电极和荧光屏组成。转电极和荧光屏组成。3、原理原理（1 1）、偏转电极不加电压：从电子枪射出的电子）、偏转电极不加电压：从电子枪射出的电子

18、将沿直线运动，射到荧光屏的中心点形成一个亮将沿直线运动，射到荧光屏的中心点形成一个亮斑。斑。（2 2）、仅在）、仅在XXXX1 1（或（或YYYY1 1）加电压）加电压若所加电压若所加电压稳稳 定，则电子流被加速、偏转后射到定，则电子流被加速、偏转后射到XXXX1 1（或（或YYYY1 1）所在直线上某一点，形成一个亮斑（不在）所在直线上某一点，形成一个亮斑（不在中心）。中心）。电子枪电子枪荧光屏荧光屏偏转电极偏转电极+-X XX X、y y、y yX XX X、y y、y y亮斑亮斑如果在偏转电极如果在偏转电极XXXX、YYYY上不加电压，电子如何运动？上不加电压，电子如何运动？如果在偏转电

19、极如果在偏转电极XXXX上不加电压，偏转电极上不加电压，偏转电极YYYY上加电压上加电压电子又如何运动？电子又如何运动？四、示波管原理四、示波管原理+-vv0vyy+_U1U2v0 L L-qm加速和偏转一体加速和偏转一体在右图中设加速电压为在右图中设加速电压为U U，电子电量为电子电量为e e质量为质量为mm。由由W=EW=EK K，若电压按正弦规律变化，如若电压按正弦规律变化，如U=UU=Ummsint,sint,偏移也将按正弦规律变化，偏移也将按正弦规律变化，即这斑在水平方向或竖直方向做简谐运即这斑在水平方向或竖直方向做简谐运动动课堂小结：课堂小结：一、利用电场使带电粒子加速一、利用电场

20、使带电粒子加速二、二、利用电场使带电粒子偏转利用电场使带电粒子偏转从动力学和运动学角度分析从动力学和运动学角度分析从做功和能量的角度分析从做功和能量的角度分析类似平抛运动类似平抛运动的分析方法的分析方法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度为零的匀加速运动初速度为零的匀加速运动带电粒子在电场中的运动 五、课堂小结：一、带电粒子的平衡二、带电粒子的加速三、带电粒子的偏转四、示波管的原理2 2、偏转问题的分析处理方法：、偏转问题的分析处理方法：1 1、运动状态分析：、运动状态分析：2 2、用功能观点分析

21、：、用功能观点分析：1 1、运动状态分析：、运动状态分析：3 3、侧移距离和偏转角：、侧移距离和偏转角：小结如图所示，在如图所示，在P板附近有一电子由静止开始向板附近有一电子由静止开始向Q板运动，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：则关于电子在两板间的运动情况，下列叙述正确的是：()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