2019-2020学年高考物理 主题1 静电场 9 带电粒子在电场中的运动课件（必修3）

主题1静电场9带电粒子在电场中的运动学科素养与目标要求物理观念：1.了解带电粒子在电场中只受电场力作用时的运动情况.2.知道示波管的主要构造和工作原理.科学思维：能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两种典型运动模型.NEIRONGSUOYIN内容索引自主预习达标检测课时对点练预习新知夯实基础检测评价达标过关注重双基强化落实重点探究启迪思维探究重点自主预习一、带电粒子的加速1.基本粒子的受力特点：对于质量很小的基本粒子，如电子、质子等，它们受到重力的作用一般静电力，故可以.2.带电粒子的加速：(1)运动分析：带电粒子从静止释放，将沿方向在匀强电场中做匀加速运动.(2)末速度大小：根据qU＝，得v＝.12mv22qUm远小于忽略电场力二、带电粒子的偏转如图1所示，质量为m、带电荷量为q的基本粒子(忽略重力)，以初速度v0平行于两极板进入匀强电场，极板长为l，极板间距离为d，极板间电压为U.(1)运动性质：①沿初速度方向：速度为的运动.②垂直v0的方向：初速度为的匀加速直线运动.图1v0匀速直线零②偏转角度：因为vy＝at＝，所以tanθ＝vyv0＝.①偏移距离：因为t＝，a＝，所以偏移距离y＝12at2＝.lv0qUmdqUl22mv02dqUlmv0dqUlmdv02(2)运动规律：三、示波管的原理1.示波管主要由(由发射电子的灯丝、加速电极组成)、(由一对X偏转电极和一对Y偏转电极组成)和组成.2.扫描电压：XX′偏转电极接入的是由仪器自身产生的电压.3.示波管工作原理：被加热的灯丝发射出热电子，电子经加速电场加速后，以很大的速度进入偏转电场，如果在Y偏转电极上加一个电压，在X偏转电极上加一电压，在荧光屏上就会出现按规律变化的可视图象.电子枪偏转电极荧光屏锯齿形信号扫描Y偏转电压即学即用1.判断下列说法的正误.(1)质量很小的粒子如电子、质子等，在电场中受到的重力可忽略不计.()(2)动能定理能分析匀强电场中的直线运动问题，不能分析非匀强电场中的直线运动问题.()(3)带电粒子在匀强电场中偏转时，加速度不变，粒子的运动是匀变速曲线运动.()(4)示波管电子枪的作用是产生高速飞行的电子束，偏转电极的作用是使电子束偏转，打在荧光屏不同位置.()×√√√2.如图2所示，M和N是匀强电场中的两个等势面，相距为d，电势差为U，一质量为m(不计重力)、电荷量为－q的粒子，以速度v0通过等势面M射入两等势面之间，则该粒子穿过等势面N的速度应是.图2v02＋2qUm解析由动能定理得：qU＝12mv2－12mv02，解得v＝v02＋2qUm.重点探究一、带电粒子的加速如图所示，平行板电容器两板间的距离为d，电势差为U.一质量为m、带电荷量为q的α粒子，在电场力的作用下由静止开始从正极板A向负极板B运动.导学探究答案α粒子所受电场力大、重力小；因重力远小于电场力，故可以忽略重力.(1)比较α粒子所受电场力和重力的大小，说明重力能否忽略不计(α粒子质量是质子质量的4倍，即m＝4×1.67×10－27kg，电荷量是质子的2倍).(2)α粒子的加速度是多大(结果用字母表示)？在电场中做何种运动？答案α粒子的加速度为a＝.在电场中做初速度为0的匀加速直线运动.qUmd(3)计算粒子到达负极板时的速度大小.(结果用字母表示，尝试用不同的方法求解)1.带电粒子的分类及受力特点(1)电子、质子、α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.分析带电粒子在电场力作用下加速运动的两种方法(1)利用牛顿第二定律F＝ma和运动学公式，只能用来分析带电粒子的匀变速运动.知识深化(2)利用动能定理：qU＝12mv2－12mv02.若初速度为零，则qU＝12mv2，对于匀变速运动和非匀变速运动都适用.例1(2017·盐城市第三中学期中)如图3所示，在A板附近有一电子由静止开始向B板运动，则关于电子到达B板时的时间和速率，下列说法正确的是A.两板间距越大，则加速的时间越长，获得的速率越小B.两板间距越小，则加速的时间越短，获得的速率越小C.两板间距越小，则加速的时间越短，获得的速率不变D.两板间距越小，则加速的时间不变，获得的速率不变√图3二、带电粒子的偏转如图4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，板间距离为d，不计粒子的重力.图41.运动分析及规律应用粒子在板间做类平抛运动，应用运动分解的知识进行分析处理.(1)在v0方向：做匀速直线运动；(2)在电场力方向：做初速度为零的匀加速直线运动.2.过程分析如图5所示，设粒子不与平行板相撞图5初速度方向：粒子通过电场的时间t＝lv0电场力方向：加速度a＝qEm＝qUmd离开电场时垂直于板方向的分速度vy＝at＝qUlmdv0速度与初速度方向夹角的正切值tanθ＝vyv0＝qUlmdv02离开电场时沿电场力方向的偏移量y＝12at2＝qUl22mdv02.3.两个重要推论(1)粒子从偏转电场中射出时，其速度方向的反向延长线与初速度方向的延长线交于一点，此点为粒子沿初速度方向位移的中点.(2)位移方向与初速度方向间夹角α的正切值为速度偏转角θ正切值的，即tanα＝tanθ.4.分析粒子的偏转问题也可以利用动能定理，即qEy＝ΔEk，其中y为粒子在偏转电场中沿电场力方向的偏移量.1212例2一束电子流经U1＝5000V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6所示，两极板间电压U2＝400V，两极板间距d＝2.0cm，板长L1＝5.0cm.(1)求电子在两极板间穿过时的偏移量y；答案0.25cm图6(2)若平行板的右边缘与屏的距离L2＝5cm，求电子打在屏上的位置与中心O的距离Y(O点位于平行板水平中线的延长线上)；答案0.75cm解析如图，由几何关系知：yY＝L12L12＋L2得：Y＝(L1＋2L2L1)y代入数据得：Y＝0.75cm(3)若另一个质量为m(不计重力)的二价负离子经同一电压U1加速，再经同一偏转电场，射出偏转电场的偏移量y′和打在屏上的偏移量Y′各是多大？答案0.25cm0.75cm解析因y＝U2L124dU1，Y＝(L1＋2L2L1)y，与粒子的质量m和电荷量q无关，故二价负离子经同样装置后，y′＝y，Y′＝Y.[学科素养]建立带电粒子在匀强电场中偏转的类平抛运动模型，会用运动的合成和分解的知识分析带电粒子的偏转问题，提高分析综合能力，体现了“科学思维”的学科素养.答案23v03例3长为L的平行金属板水平放置，两极板带等量的异种电荷，板间形成匀强电场，一个带电荷量为＋q、质量为m的带电粒子，以初速度v0紧贴上极板垂直于电场线方向进入该电场，刚好从下极板边缘射出，射出时速度恰与水平方向成30°角，如图7所示，不计粒子重力，求：(1)粒子离开电场时速度的大小；图7答案3mv023qL(2)匀强电场的场强大小；答案36L(3)两板间的距离.解析粒子在匀强电场中做类平抛运动，在竖直方向上：d＝12at2，解得：d＝36L.解析两极板间的电压为U，两极板间的距离为d，所以电场强度大小为E＝.Ud答案Ud针对训练如图8所示，两个板长均为L的平板电极，平行正对放置，两极板相距为d，极板之间的电势差为U，板间电场可以认为是匀强电场.一个带电粒子(质量为m，电荷量为＋q，可视为质点)从正极板边缘以某一初速度垂直于电场方向射入两极板之间，到达负极板时恰好落在极板边缘.忽略重力和空气阻力的影响.求：(1)极板间的电场强度E的大小.图8(2)该粒子的初速度v0的大小.答案LdUq2m(3)该粒子落到负极板时的末动能Ek的大小.解析根据动能定理可得Uq＝Ek－12mv02解得Ek＝Uq1＋L24d2.答案Uq1＋L24d2达标检测A.edLUB.edULC.eUdLD.eULd1.(带电粒子的直线运动)两平行金属板相距为d，电势差为U，一电子质量为m，电荷量为e，从O点沿垂直于极板的方向射入，最远到达A点，然后返回，如图9所示，OA＝L，则此电子具有的初动能是√1234图92.(带电粒子的偏转)如图10所示，带电荷量之比为qA∶qB＝1∶3的带电粒子A、B，先后以相同的速度从同一点水平射入平行板电容器中，不计重力，带电粒子偏转后打在同一极板上，水平飞行距离之比为xA∶xB＝2∶1，则带电粒子的质量之比mA∶mB以及在电场中飞行的时间之比tA∶tB分别为A.1∶1,2∶3B.2∶1,3∶2C.1∶1,3∶4D.4∶3,2∶1√1234图103.(示波管的原理)(多选)示波管的构造如图11所示.如果在荧光屏上P点出现亮斑，那么示波管中的A.极板X应带正电B.极板X′应带正电C.极板Y应带正电D.极板Y′应带正电√1234图11解析根据亮斑的位置，电子偏向XY区间，说明电子受到电场力作用发生了偏转，因此极板X、极板Y均应带正电.√解析根据动能定理可得eU＝12mvx2，解得vx＝8×106m/s4.(带电粒子的加速和偏转)(2018·宿迁市高一下期末)如图12所示，电子从静止开始被U＝180V的电场加速，沿直线垂直进入另一个场强为E＝6000V/m的匀强偏转电场，而后电子从右侧离开偏转电场.已知电子比荷为不计电子的重力，偏转极板长为L＝6.0×10－2m.求：(1)电子经过电压U加速后的速度vx的大小；答案8×106m/sem≈169×1011C/kg，图121234根据牛顿第二定律得a＝eEm，解得a＝323×1014m/s2≈1.1×1015m/s2(2)电子在偏转电场中运动的加速度a的大小；答案1.1×1015m/s2解析电子在偏转电场中受到竖直向下的电场力，1234(3)电子离开偏转电场时的速度方向与刚进入该电场时的速度方向之间的夹角θ.答案45°在竖直方向上做初速度为零的匀加速直线运动，解析电子在水平方向上做匀速直线运动，故t＝Lvx故vy＝at，tanθ＝vyvx，联立解得θ＝45°.1234课时对点练一、选择题考点一带电粒子的直线运动1.质子(11H)、α粒子(42He)、钠离子(Na＋)三个粒子分别从静止状态经过电压为U的同一电场加速后，获得动能最大的是A.质子(11H)B.α粒子(42He)C.钠离子(Na＋)D.都相同√1234567891011122.如图1所示，一个平行板电容器充电后与电源断开，从负极板处由静止释放一个电子(不计重力)，设其到达正极板时的速度为v1，加速度为a1.若将两极板间的距离增大为原来的2倍，再从负极板处由静止释放一个电子，设其到达正极板时的速度为v2，加速度为a2，则A.a1∶a2＝1∶1，v1∶v2＝1∶2B.a1∶a2＝2∶1，v1∶v2＝1∶2C.a1∶a2＝2∶1，v1∶v2＝∶1D.a1∶a2＝1∶1，v1∶v2＝1∶123456789101112√图1223.(多选)如图2所示，M、N是真空中的两块平行金属板，质量为m、电荷量为＋q的带电粒子以初速度v0由小孔射入板间电场，当M、N间电势差为U时，粒子恰好能到达N板.要使这个带电粒子到达M、N板间距的后返回，下列措施中能满足要求的是(不计带电粒子的重力)A.使初速度减小为原来的B.使M、N间电势差加倍C.使M、N间电势差提高到原来的4倍D.使初速度和M、N间电势差都减小为原来的√123456789101112图2121212√4.(2017·江苏单科)如图3所示，三块平行放置的带电金属薄板A、B、C中央各有一小孔，小孔分别位于O、M、P点.由O点静止释放的电子恰好能运动到P点.现将C板向右平移到P′点，则由O点静止释放的电子A.运动到P点返回B.运动到P和P′点之间返回C.运动到P′点返回D.穿过P′点√123456789101112图3考点二带电粒子的偏转5.如图4所示，a、b两个带正电的粒子，以相同的速度先后垂直于电场线从同一点进入