带电粒子在电场中的运动 【教材精讲精研】 人教版（2019）高中物理必修第三册 高效课堂课件

一、带电粒子的重力问题一、带电粒子的重力问题1微微观观粒粒子子：如如电电子子、质质子子、粒粒子子等等，由由于于质质量量很很小小，重重力力_静电力，若无特别说明其重力可以忽略静电力，若无特别说明其重力可以忽略(但并不忽略质量但并不忽略质量)2宏宏观观粒粒子子：如如带带电电小小球球、带带电电液液滴滴、带带点点尘尘埃埃等等，若若无无特特别别说说明明其重力不可以忽略其重力不可以忽略远小于远小于二、带电粒子的加速问题（重力不计）二、带电粒子的加速问题（重力不计）如如图图所所示示，质质量量为为m，带带正正电电荷荷q的的粒粒子子，从从静静止止开开始始向向右右运运动动，求：粒子到达右极板时的速度。求：粒子到达右极板时的速度。qUqU三、带电粒子的偏转三、带电粒子的偏转(重力不计重力不计)v0 Ld+-qvv0v yxF运动状态分析 匀变速曲线运动（类平抛运动）分析方法沿初速度方向匀速直线运动沿电场线方向初速度为零的匀加速直线运动1.1.加速度加速度:2.2.飞行时间飞行时间3.3.侧移距离侧移距离4.4.速度偏转角速度偏转角小结：小结：1进入电场的方式：以初速度进入电场的方式：以初速度v0垂直于电场线方向进入匀强电场垂直于电场线方向进入匀强电场2受受力力特特点点：电电场场力力大大小小_，且且方方向向与与初初速速度度v0的的方方向向_3运动性质：做运动性质：做_运动，与力学中的平抛运动类似运动，与力学中的平抛运动类似不变不变垂直垂直匀变速曲线匀变速曲线若不同的粒子是从静止经过同一电场若不同的粒子是从静止经过同一电场U U1 1加速后进入偏转电场加速后进入偏转电场U U2 2。速度偏转角大小与粒子速度偏转角大小与粒子q,mq,m无关无关,即都相同即都相同四、先加速后偏转问题（重力不计）四、先加速后偏转问题（重力不计）侧移距离侧移距离侧移距离与粒子侧移距离与粒子q,mq,m无关无关,即都相同即都相同由动能定理得：由动能定理得：拓展：拓展：将粒子飞出偏转电场时的速度反向延长将粒子飞出偏转电场时的速度反向延长,交原运动方向于交原运动方向于O O点点,O,O点距电场边缘距离为点距电场边缘距离为x,x,则则粒子从偏转电场中射出时粒子从偏转电场中射出时,好像好像从极板间从极板间l/2l/2处沿直线射出似的处沿直线射出似的五、示波管的原理五、示波管的原理（课本（课本47页）页）（1）示波器：用来观察电信号随时间变化的电子仪器。）示波器：用来观察电信号随时间变化的电子仪器。其核心部分是示波管其核心部分是示波管（2）示波管的构造：由电子枪、偏转电极和荧光屏组）示波管的构造：由电子枪、偏转电极和荧光屏组成（如图）。成（如图）。（3）原理：利用了带电粒子在电场中偏转的规律，灵）原理：利用了带电粒子在电场中偏转的规律，灵敏、直观地显示出电信号随时间变化的图线。敏、直观地显示出电信号随时间变化的图线。例例1：如如图图所所示示，在在点点电电荷荷Q的的电电场场中中有有A、B两两点点,将将质质子子和和粒粒子分别从子分别从A点由静止释放到达点由静止释放到达B点时点时,它们的速度大小之比为多少？它们的速度大小之比为多少？变式训练变式训练1.如图所示，两块平行金属板如图所示，两块平行金属板M、N竖直放置，它们的电压恒为竖直放置，它们的电压恒为U.一电子一电子(不计重力不计重力)从从N板静止释放，它运动到板静止释放，它运动到M板时速率为板时速率为v.现将现将M板水平向右移动一段距离，再次将电子从板水平向右移动一段距离，再次将电子从N板静止释放，下列判断板静止释放，下列判断正确的是正确的是()A金属板金属板M、N的带电荷量不变的带电荷量不变B电子运动过程的加速度变大电子运动过程的加速度变大C电子运动到电子运动到M板所用的时间变长板所用的时间变长D电子运动到电子运动到M板时速率变小板时速率变小例例2：一一束束电电子子流流在在经经U5000V的的加加速速电电压压加加速速后后，在在距距两两极极板板等等距距离离处处垂垂直直进进入入平平行行板板间间的的匀匀强强电电场场，如如图图所所示示若若两两板板间间距距d1.0cm，板板长长l5.0cm，那那么么要要使使电电子子能能从从平平行行板板间间飞飞出出,两两个个极极板上最大能加多大电压？板上最大能加多大电压？【思思路路点点拨拨】电电子子经经加加速速后后水水平平飞飞入入两两板板之之间间做做类类平平抛抛运运动动，两两板间所加电压的最大值对应电子恰好沿板右边缘飞出的情况板间所加电压的最大值对应电子恰好沿板右边缘飞出的情况【答案答案】400V变式训练变式训练2有一束正离子，以相同速度从同一位置进入平行板电容器的匀有一束正离子，以相同速度从同一位置进入平行板电容器的匀强电场中，所有离子运动轨迹一样，说明所有离子强电场中，所有离子运动轨迹一样，说明所有离子()A具有相同质量具有相同质量B具有相同电荷量具有相同电荷量C具有相同的比荷具有相同的比荷D属于同一元素的同位素属于同一元素的同位素+_U带电粒子的加速带电粒子的加速UE加速匀速匀速_+_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当V0一定时，U越大，则V越大；U越小，V越小当U 一定时，V0越大，则V越大；V0越小，V越小对某一粒子（m.q一定）由牛顿定律得：若在匀强电场中单级加速-电子枪低压电源低压电源加热灯丝加热灯丝产生热电产生热电子子高压高压电源高压电源产生加速产生加速电场电场原理：原理：Uq=mv2/20多级加速问题：如图多级平行板连接，能否加速离子？问题：如图多级平行板连接，能否加速离子？UABCDEF多级直线加速器示意图多级直线加速器示意图U0u0-u0tT2TU带电粒子的偏转带电粒子的偏转v0 ld+-qvv0v yl/2F运动状态分析 匀变速曲线运动（类平抛运动）分析方法沿初速度方向匀速直线运动沿电场线方向初速度为零的匀加速直线运动1.1.加速度加速度:2.2.飞行时间飞行时间3.3.侧移距离侧移距离4.4.偏角偏角求带电粒子离开电场时速度的大小。求带电粒子离开电场时速度的大小。方法方法2:根据动能定理求解根据动能定理求解方法方法1:1:根据速度合成求解根据速度合成求解注意注意加速电压加速电压U*不一定是两板的电压，不能求出方向不一定是两板的电压，不能求出方向对粒子偏角的讨论对粒子偏角的讨论1.1.若不同的粒子是从静止经过若不同的粒子是从静止经过同一电场加速电压同一电场加速电压U U0 0加速后进入加速后进入偏转电场偏转电场U,U,由动能定理有由动能定理有偏角大小与粒子偏角大小与粒子q,mq,m无关无关,即都相即都相同同2.2.将粒子飞出电场时的速度反向将粒子飞出电场时的速度反向延长延长,交原运动方向于交原运动方向于O O点点,O,O点距点距电场边缘距离为电场边缘距离为x,x,则则粒子从偏转电场中射出时粒子从偏转电场中射出时,好像好像从极板间从极板间l/2l/2处沿直线射出似的处沿直线射出似的dl/2yv0-qvv0v+-lYXU荧光屏荧光屏光斑光斑U0若粒子是从静止经过电场加速电压若粒子是从静止经过电场加速电压U0加速后进入偏转电场加速后进入偏转电场U发生侧移发生侧移y；离开电场后，打在荧光屏上行成光斑，光斑距；离开电场后，打在荧光屏上行成光斑，光斑距荧光屏中心的距离荧光屏中心的距离Y。结合前面结论，推出。结合前面结论，推出y与与Y的表达式的表达式dl/2yv0-qvv0v+-lYXU荧光屏荧光屏光斑光斑U0(1)(2)得出：得出：3示波管的原理示波管的原理（1）示波器：用来观察电信号随时间变化的电）示波器：用来观察电信号随时间变化的电子仪器。其核心部分是示波管子仪器。其核心部分是示波管（2）示波管的构造：由电子枪、偏转电极和荧）示波管的构造：由电子枪、偏转电极和荧光屏组成（如图）。光屏组成（如图）。（3）原理：利用了带电粒子在电场中偏转的规）原理：利用了带电粒子在电场中偏转的规律，灵敏、直观地显示出电信号随时间变化的律，灵敏、直观地显示出电信号随时间变化的图线。图线。水平偏转电极，加电压如图水平偏转电极，加电压如图1，竖直偏转电极加电压如图，竖直偏转电极加电压如图2，荧光屏上会出现什么图形？荧光屏上会出现什么图形？UxtT2TtUyT2T1、只加、只加Uxt电压电压2、只加、只加Uyt电压电压3、同时加、同时加Uxt电压电压和和Uyt电压电压思考：思考：为什么叫做为什么叫做“示波器示波器”重点难点重点难点重点重点:带电粒子在电场中的加速和偏转规律带电粒子在电场中的加速和偏转规律难点难点:带电粒子在电场中的偏转问题及应用。带电粒子在电场中的偏转问题及应用。应用应用：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。研究方法小结：研究方法小结：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的运动类比-电场中的偏转为类抛体运动（类平抛、类斜抛）（2）整体法）整体法(全过程法全过程法)电场力的功只与始末位置有关，从电荷运动的全过程中功能关电场力的功只与始末位置有关，从电荷运动的全过程中功能关系出发系出发(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)往往能迅速找到解题往往能迅速找到解题入口或简化计算入口或简化计算-（使用动能定理解题时）（使用动能定理解题时）关于重力是否考虑的问题关于重力是否考虑的问题1 1、题目明确了重力不计或不能忽略重力的情况、题目明确了重力不计或不能忽略重力的情况2 2、题目未明确的情况下、题目未明确的情况下:a)a)基本粒子基本粒子(如电子、质子、离子等如电子、质子、离子等)重力一般忽略重力一般忽略.b)b)带电颗粒带电颗粒(如液滴、尘埃、小球等如液滴、尘埃、小球等)重力一般不能忽略重力一般不能忽略.综合提高如图所示如图所示,水平放置的水平放置的A、B两平行金属板相距两平行金属板相距为为d,现有质量为现有质量为m,电量为电量为-q的小球的小球,从距从距A板板高高h处自由下落处自由下落,通过小孔通过小孔C进入电场进入电场,但没能但没能到达到达B板板,求求AB间电势差的最小值间电势差的最小值.hdCBA解法一、牛顿定律和运动学规律解法二、解法二、运动学规律和动量定理法运动学规律和动量定理法小球自由落体时间由小球自由落体时间由可得可得进入电场后的匀减速运动的时间由进入电场后的匀减速运动的时间由解法三、（动能定理法）解法三、（动能定理法）由由W=EK可列全过程的动能定理方程可列全过程的动能定理方程mg(h+d)-qUmin=0,Umin=mg(h+d)/q例题例题2:一个电子以初速一个电子以初速V0=3.0106m/s沿着垂沿着垂直于场强方向射入两带电平行金属板，金属直于场强方向射入两带电平行金属板，金属板长板长L=6.010-2m，两板之间可以看成是匀，两板之间可以看成是匀强电场，场强大小为强电场，场强大小为E=2103N/C，电子的，电子的电量电量e=1.610-19C，质量，质量m=9.1 10-31kg，求求:（1）电子射离电场时的速度；）电子射离电场时的速度；（2）出射点与入射点沿场强方向的侧移距）出射点与入射点沿场强方向的侧移距离。离。解析解析法一：电子射入电场以后，受恒定的电场力法一：电子射入电场以后，受恒定的电场力作用，由于作用，由于V0F电，电，电子做类平抛运动。将电子做类平抛运动。将电子的运动看成是沿电子的运动看成是沿X轴方向、速度为轴方向、速度为V0的的匀速直线运动和沿电场力匀速直线运动和沿电场力y方向、初速度为方向、初速度为零的匀加速直线运动的合成。零的匀加速直线运动的合成。yV0XO如图所示如图所示:从