1、5带电粒子在电场中的运动 第十章 静电场中的能量 核心素养明目标 核心素养学习目标 物理观念对带电粒子在电场中的运动有初步的认识。科学思维分析带电粒子在电场中的偏转，自主得出解决此类问题的处理方法。核心素养学习目标 科学探究通过对示波管的构造和工作原理的认识，进一步理解加速和偏转问题。科学态度和责任养成观察、比较、归纳分析的良好习惯，体会静电场知识对科学技术的影响。自主预习探新知 NO.1知识点一 知识点二 知识点三 知识点一 带电粒子在电场中的加速 1带电粒子在电场中加速(直线运动)的条件：只受电场力作用时，带电粒子的速度方向与电场强度的方向_或_。2分析带电粒子加速问题的两种思路(1)利用
2、牛顿第二定律结合匀变速直线运动公式来分析。(2)利用静电力做功结合_来分析。相同相反动能定理1：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)带电粒子只有在匀强电场中由静止释放才能做直线运动。()(2)带电粒子仅在静电力作用下运动时，动能一定增加。()知识点二 带电粒子在电场中的偏转 1条件：带电粒子的初速度方向跟电场力的方向_。2运动性质：带电粒子在匀强电场中做类平抛运动，运动轨迹是一条_。3分析思路：同分析_的思路相同，利用运动的合成与分解思想解决相关问题。垂直抛物线平抛运动2：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)(1)带电粒子在匀强电场中偏转时，其速度和加速度均不变。()(2)带电粒子在
3、匀强电场中无论是直线加速还是偏转，均做匀变速运动。()知识点三 示波管的原理 1构造：示波管主要由_、_(XX和 YY)、_组成，管内抽成真空。电子枪偏转电极荧光屏2原理(1)给电子枪通电后，如果在偏转电极 XX和 YY上都没有加电压，电子束将打在荧光屏的_点。甲 示波管的结构 乙 荧光屏(从右向左看)中心O(2)示波管的 YY偏转电极上加的是待测的信号电压，使电子沿YY方向偏转。(3)示波管的 XX偏转电极上加的是仪器自身产生的锯齿形电压(如图所示)，叫作扫描电压，使电子沿 XX方向偏转。扫描电压3：思考辨析(正确的打“”，错误的打“”)示波管电子枪的作用是产生高速飞行的电子束，偏转电极的作
4、用是使电子束发生偏转，打在荧光屏的不同位置。()合作探究提素养 NO.2考点1 考点2 考点3 考点 1 带电粒子在电场中的加速 在真空中有一对平行金属板，由于接上电池组而带电，两板间电势差为 U，若一个质量为 m、带正电荷 q 的粒子，以初速度 v0 从正极板附近向负极板运动。试结合上述情境讨论：(1)怎样计算它到达负极板时的速度？(2)若粒子带的是负电荷(初速度为 v0)，将做匀减速直线运动，如果能到达负极板，其速度如何？(3)上述问题中，两块金属板是平行的，两板间的电场是匀强电场，如果两金属板是其他形状，中间的电场不再均匀，上面的结果是否仍然适用？为什么？提示：(1)由动能定理有：qU1
5、2mv212mv20，得 v2qUmv20m。(2)由动能定理有：qU12mv212mv20，得 vmv202qUm。(3)结果仍然适用。因为不管是否为匀强电场，静电力做功都可以用 WqU 计算，动能定理仍然适用。1带电粒子的分类及受力特点(1)电子、质子、粒子、离子等基本粒子，一般都不考虑重力。(2)质量较大的微粒：带电小球、带电油滴、带电颗粒等，除有说明或有明确的暗示外，处理问题时一般都不能忽略重力。2处理带电粒子在电场中加速问题的两种方法 可以从动力学和功能关系两个角度分析如下：动力学角度功能关系角度 应用知识牛顿第二定律以及匀变速直线运动公式功的公式及动能定理 适用条件匀强电场，静电力
6、是恒力匀强电场、非匀强电场；静电力是恒力、变力【典例 1】如图所示，一个质子以初速度 v05106 m/s 水平射入一个由两块带电的平行金属板组成的区域。两板距离为 20 cm，设金属板之间电场是匀强电场，电场强度为 3105 N/C。质子质量 m1.671027 kg，电荷量 q1.601019 C。求质子由板上小孔射出时的速度大小。解析 根据动能定理 W12mv2112mv20 而 WqEd 1.60101931050.2 J 9.61015 J 所以 v12Wm v20 29.610151.671027 51062 m/s 6106 m/s 质子飞出时的速度约为 6106 m/s。答案
7、6106 m/s 母题变式 上例中，若质子刚好不能从小孔中射出，其他条件不变，则金属板之间的电场强度至少为多大？方向如何？解析 根据动能定理qEd012mv20 则 Emv202qd1.6710275106221.6010190.2 N/C6.5105 N/C 方向水平向左。答案 6.5105 N/C 方向水平向左 带电粒子在电场中的加速运动，往往涉及它的逆运动以同样的加速度做匀减速运动，这时可以用两种观点解决：能量观点，通过电场加速，12mv212mv20qU，减速要通过电场，需满足12mv20qU；运动观点，运用匀变速直线运动规律，当粒子做减速运动时应首先判断它是否能通过电场。跟进训练 1
8、(多选)示波管中电子枪的原理示意图如图所示，示波管内被抽成真空。A 为发射电子的阴极，K 为接在高电势点的加速阳极，A、K 间电压为 U，电子离开阴极时的速度可以忽略，电子经加速后从 K的小孔中射出时的速度大小为 v。下面的说法正确的是()A如果 A、K 间距离减半而电压仍为 U，则电子离开 K 时的速度仍为 v B如果 A、K 间距离减半而电压仍为 U，则电子离开 K 时的速度变为v2 C如果 A、K 间距离不变而电压减半，则电子离开 K 时的速度变为 22 v D如果 A、K 间距离不变而电压减半，则电子离开 K 时的速度变为v2 AC 电子在两个电极间的加速电场中进行加速，由动能定理eU
9、12mv20 得 v2eUm，当电压不变，A、K 间距离变化时，不影响电子的速度，故 A 正确；电压减半，则电子离开 K 时的速度为 22v，C 正确。考点 2 带电粒子在电场中的偏转 如图所示，质量为 m、电荷量为 q 的粒子以初速度 v0 垂直于电场方向射入两极板间，两平行板间存在方向竖直向下的匀强电场，已知板长为 l，板间电压为 U，板间距为 d，不计粒子的重力。请根据上述情境回答下列问题：(1)带电粒子在垂直于电场方向做什么运动？(2)带电粒子在沿电场方向做什么运动？(3)怎样求带电粒子在电场中运动的时间？(4)粒子所受电场力多大？加速度多大？提示：(1)匀速直线运动。(2)初速度为零
10、的匀加速直线运动。(3)t lv0。(4)FUdq，aUqdm。1带电粒子在匀强电场中偏转的基本规律 vxv0 lv0t初速度方向vyat y12at2电场线方向 2偏转位移和偏转角(1)粒子离开电场时的偏转位移 y12at212qUmdlv02 qUl22mdv20。(2)粒子离开电场时的偏转角 tan vyv0 qUlmdv20。(3)粒子离开电场时位移与初速度夹角的正切值 tan ylqUl2mdv20。3两个常用的推论(1)粒子射出电场时好像从板长 l 的12处沿直线射出，即 xytan l2。(2)位移方向与初速度方向夹角的正切值为速度偏转角正切值的12，即 tan 12tan。4运
11、动轨迹：抛物线。【典例 2】一束电子流在经 U5 000 V 的加速电压加速后，在距两极板等距离处垂直进入平行板间的匀强电场，如图所示。若两板间距 d1.0 cm，板长 l5.0 cm，那么要使电子能从平行板间飞出，两个极板上最大能加多大电压？思路点拨(1)电子经电压 U 加速后的速度 v0可由 eU12mv20求出。(2)初速度 v0 一定时，偏转电压越大，偏转距离越大。(3)最大偏转位移d2对应最大偏转电压。解析 加速过程，由动能定理得 eU12mv20 进入偏转电场，电子在平行于板面的方向上做匀速运动 lv0t 在垂直于板面的方向做匀加速直线运动 加速度 aFmeUdm 偏转距离 y12
12、at2 能飞出的条件为 yd2 联立式解得 U2Ud2l2 400 V 即要使电子能飞出，所加电压最大为 400 V。答案 400 V 母题变式 上例中，若使电子打到下板中间，其他条件不变，则两个极板上需要加多大的电压？解析 由 eU12mv20 aeUdm d212at2 l2v0t 联立解得 U8Ud2l2 1 600 V。答案 1 600 V 带电粒子在电场中运动问题的处理方法带电粒子在电场中运动的问题实质上是力学问题的延续，从受力角度看，带电粒子与一般物体相比多受到一个电场力；从处理方法上看，仍可利用力学中的规律分析，如选用平衡条件、牛顿定律、动能定理、功能关系、能量守恒等。跟进训练
13、2(多选)如图所示，电子以初速度 v0 沿垂直电场强度方向射入两平行金属板中间的匀强电场中，现增大两金属板间的电压，但仍使电子能够穿过平行板，则下列说法正确的是()A电子穿越平行金属板所需要的时间减少 B电子穿越平行金属板所需要的时间不变 C电子穿越平行金属板的侧向位移增大 D电子穿越平行金属板的侧向位移减少 BC 电子在沿初速度方向上做匀速直线运动，设金属板的长度为 L，则电子穿越平行金属板所需要的时间 tLv0，当增大两金属板间的电压时，时间 t 不变，A 错误，B 正确；电子在垂直于电场强度方向上做匀加速直线运动，侧向位移 y12at212qUmdLv02，当增大两金属板间的电压时，电子
14、穿越平行金属板的侧向位移增大，C 正确，D 错误。考点 3 示波管的原理 如图是示波管的示意图，从电子枪发出的电子通过两对偏转电极，如果偏转电极不加电压，则电子沿直线打在荧光屏的中心 O，当在两对偏转电极上同时加上电压后，电子将偏离中心打在某个位置，现已标出偏转电极所加电压的正负极，从示波管的右侧来看，电子可能会打在荧光屏上哪一位置？提示：竖直方向的电场方向由 Y 指向 Y，则电子向 Y 方向偏转，水平方向的电场方向由 X指向 X，则电子向 X方向偏转，故电子可能打在荧光屏上的 2 位置。1工作原理(1)偏转电极不加电压时 从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。(2)
15、在偏转电极 XX(或 YY)加电压时 若所加电压稳定，则电子偏转，偏转后射到荧光屏上的某一点，形成一个亮斑(不在中心)。如图所示，设加速电压为 U1，偏转电压为 U2，电子的电荷量为e，质量为 m，由动能定理得 eU112mv20 在电场中的侧移量 y12at2eU2t22dm 其中 d 为两极板的间距，水平方向 tLv0 又 tan vyvxatv0eU2Ldmv20 由得亮斑在荧光屏上的侧移量为 yyLtan eLU2mv20dLL2 LL2 tan LL2LU22dU1。(3)示波管实际工作时，偏转电极 YY和偏转电极 XX都加上电压，一般地，加在偏转电极 YY上的电压是要研究的信号电压
16、，加在偏转电极 XX上的电压是扫描电压。若两者周期相同，在荧光屏上就会显示出信号电压在一个周期内随时间变化的波形图。2示波管的波形(1)仅在 XX之间或 YY之间加电压 电压亮斑位置 X 极电势高X极电势高 XX之间加不变的电压，YY之间不加电压 电压亮斑位置 Y 极电势高Y极电势高 XX之间不加电压，YY之间加不变的电压(2)在 YY之间加周期性变化的电压 电压亮线位置描述 在 YY之间所加电压如图所示，XX之间不加电压一条沿 Y 轴的竖直亮线 电压亮线位置描述 在 YY之间所加电压如图所示，而在 XX之间加不变的电压(X 正、X负)一条与 Y 轴平行的竖直亮线 电压亮线位置描述 在 YY之
17、间加如图甲所示的电压，同时在 XX之间加如图乙所示的电压甲乙信号电压在一个周期内随时间变化的波形图【典例 3】(2021黄冈中学月考)如图甲所示为示波管的原理图。如果在电极 YY之间所加的电压按如图乙所示的规律变化，在电极 XX之间所加的电压按如图丙所示的规律变化，则在荧光屏上看到的图形是()甲乙 丙 A B C D B 电极 YY之间为信号电压，电极 XX之间为扫描电压，0t1内，Y 板电势高，电子向 Y 板偏转，X板电势高，电子向 X板偏转，由此可知 C、D 错误；根据偏移量 y qU2mdt2，偏移量与偏转电压成正比，0、t1、2t1 时刻偏转电压为 0，偏移量也为 0，12t1、32t
18、1 时刻偏转电压最大，偏移量也最大，故 A 错误，B 正确。跟进训练 3示波器是一种常见的电学仪器，示波管是示波器的核心部件，它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成，如图所示，若 X、Y极接稳压电源的正极，X、Y 接稳压电源的负极，则在示波器荧光屏上可能会看到的图形是()A B C D C 电子受到的电场力方向与电场方向相反，在 X、X极板间电子向 X板偏转，在 Y、Y极板间电子向 Y板偏转，叠加后电子打第三象限，故 C 正确，A、B、D 错误。当堂达标夯基础 NO.31 2 3 4 1如图所示，在匀强电场 E 中，一带电粒子(不计重力)q 的初速度 v0 恰与电场线方向相同，则带电粒子q 在开始运
19、动后，将()A沿电场线方向做匀加速直线运动 B沿电场线方向做变加速直线运动 C沿电场线方向做匀减速直线运动 D偏离电场线方向做曲线运动 5 1 2 3 4 C 在匀强电场中，带电粒子所受的静电力为恒力。带电粒子受到与运动方向相反的恒定的静电力作用，产生与运动方向相反的恒定的加速度，因此，带电粒子q 在开始运动后，将沿电场线方向做匀减速直线运动。故选 C。5 1 2 3 4 2如图所示，两平行金属板竖直放置，板上 A、B两孔正好水平相对，板间电压为 500 V。一个动能为 400 eV 的电子从 A 孔沿垂直板方向射入电场中，经过一段时间电子离开电场，若不考虑重力的影响，则电子离开电场时的动能大
20、小为()A900 eV B500 eV C400 eV D100 eV 5 1 2 3 4 C 电子从 A 向 B 运动时，电场力对电子做负功，若当电子到达 B 点时，克服电场力所做的功 WqU500 eV400 eV，因此电子不能到达 B 孔，电子向右做减速运动，在到达 B 孔之前速度变为零，然后反向运动，从 A 孔离开电场，在整个过程中，电场力做功为零，由动能定理可知，电子离开电场时的动能：Ek400 eV，故 C 正确。5 1 2 3 4 3(多选)如图所示，一质量为 m，带电荷量为q 的带电粒子(不计重力)，以速度 v0 垂直于电场方向进入电场，关于该带电粒子的运动，下列说法正确的是(
21、)5 1 2 3 4 A粒子在初速度方向做匀加速运动，平行于电场方向做匀加速运动，因而合运动是匀加速直线运动 B粒子在初速度方向做匀速运动，平行于电场方向做匀加速运动，其合运动的轨迹是一条抛物线 C分析该运动，可以用运动分解的方法，分别分析两个方向的运动规律，然后再确定合运动情况 D分析该运动，有时也可用动能定理确定其在某位置时的速度的大小 5 1 2 3 4 BCD 题述粒子在竖直方向上受到竖直向下的电场力，水平方向不受外力，故粒子做类平抛运动，轨迹为抛物线，其运动可分解为平行极板方向的匀速直线运动和垂直极板方向的初速度为零的匀加速运动，A 错误，B、C 正确；该过程中只有电场力做功，而电场
22、力做功与路径无关，故可用动能定理确定其在某位置时的速度的大小，D 正确。5 1 2 3 4 4如图所示，静止的电子在加速电压 U1 的作用下从 O 经 P 板的小孔射出，又垂直进入平行金属板间的电场，在偏转电压 U2 的作用下偏转一段距离。现使 U1 加倍，要想使电子的运动轨迹不发生变化，应该()A使 U2 加倍 B使 U2 变为原来的 4 倍 C使 U2 变为原来的 2倍 D使 U2 变为原来的12 5 1 2 3 4 A 设偏转电极的长度为 L，板间距离为 d，则根据推论可知，偏转距离 yU2L24dU1。使 U1 加倍，要想使电子的运动轨迹不发生变化，即 y 不变，则必须使 U2 加倍，
23、故选 A。5 1 2 3 4 5 5情境：如图所示，两块水平放置的平行金属板与电源连接，上、下板分别带正、负电荷。油滴从喷雾器喷出后，由于摩擦而带负电，油滴进入上板中央小孔后落到匀强电场中，通过显微镜可以观察到油滴的运动情况。1 2 3 4 5 问题：两金属板间的距离为 d，忽略空气对油滴的浮力和阻力。若油滴进入电场时的速度可以忽略，当两金属板间的电势差为 U 时，观察到某个质量为 m 的油滴进入电场后做匀加速运动，经过时间 t运动到下极板。重力加速度为 g。求该油滴所带电荷量。1 2 3 4 5 解析 油滴进入电场后做匀加速运动，由牛顿第二定律得 mgqUdma 根据位移时间公式得 d12a
24、t2 联立解得 qmdU g2dt2。答案 mdU g2dt2 回归本节知识，自我完成以下问题：1要使带电粒子在电场中只被加速而不改变运动方向该怎么办？提示：仅受静电力作用，静电力的方向应同 v0 同向。2对于带电粒子加速问题，常用的是哪两种思路？提示：方法一：利用牛顿第二定律结合匀变速直线运动公式来分析。此种方法必须在匀强电场中使用(FqE，F 为恒力，E 恒定)。方法二：利用静电力做功结合动能定理来分析。由于在非匀强电场中，公式 WqU 同样适用，故此种方法可行性更高，应用程度更高。3带电粒子以初速度 v0 垂直于电场线射入匀强电场中，带电粒子的运动同哪种运动类似？这种运动的研究方法是什么？提示：类似力学中的平抛运动；研究方法是运动的合成与分解。点击右图进入 课 后 素 养 落 实 谢谢观看 THANK YOU!