新教材2020-2021学年高中物理人教版必修第三册课件：10.5-带电粒子在电场中的运动-

5.带电粒子在电场中的运动电子被加速器加速后轰击重金属靶时，会产生射线，可用于放射治疗。图中展示了一台医用电子直线加速器。电子在加速器中是受到什么力的作用而加速的呢？问题导入：能分析带电粒子在电场中的运动情况，能解释相关的物理现象。1.会用动力学和能量的观点分析带电粒子在电场中的加速运动。（科学思维）2.掌握初速度与场强方向垂直的带电粒子在电场中的偏转问题。（科学思维）3.了解示波管的主要构造和工作原理。（物理观念）体会课堂探究的乐趣，汲取新知识的营养，让我们一起吧！进走课堂U+qm+__ｖ=?F【探究一：带电粒子的加速运动】【探究情景】一个质量为m、带正电荷q的粒子，在静电力的作用下由静止开始从正极板向负极板运动。试计算粒子到达负极板时的速度？方法一：动力学观点：主要利用牛顿运动定律和匀变速直线运动的规律qUm+_带电粒子的加速d①mdUFqma②adv22由①②得③mqvU2方法二：能量观点——利用动能定理221mvqU①②由①得：mqUv2【规律总结】对比两种方法1.利用牛顿第二定律和匀变速直线运动规律，仅适用于匀强电场中，物体做匀变速直线运动，即物体必须沿着电场线进入匀强电场。2.利用动能定理，不仅适用于匀强电场，也适用于非匀强电场，因为公式W=qU适用于任何电场。若两极板间不是匀强电场，该用何种方法求解？为什么？思考若粒子的初速度为零,则:qUmv221若粒子的初速度不为零,则:qUmvmv2202121多级加速问题：如图多级平行板连接，能否加速离子？U＋＋＋－－－ABCDEF多级直线加速器示意图U0u0-u0tT2TU~＋－例1.如图甲，某装置由多个横截面积相同的金属圆筒依次排列，其中心轴线在同一直线上，圆筒的长度依照一定的规律依次增加。序号为奇数的圆筒和交变电源的一个极相连，序号为偶数的圆筒和该电源的另一个极相连。交变电源两极间电势差的变化规律如图乙所示。在t＝0时，奇数圆筒相对偶数圆筒的电势差为正值，此时位于和偶数圆筒相连的金属圆板（序号为0）中央的一个电子，在圆板和圆筒1之间的电场中由静止开始加速，沿中心轴线冲进圆筒1.为使电子运动到圆筒与圆筒之间各个间隙中都能恰好使静电力的方向跟运动方向相同而不断加速，圆筒长度的设计必须遵照一定的规律。若已知电子的质量为m电子电荷量为e电压的绝对值为u周期为T，电子通过圆筒间隙的时间可以忽略不计。则金属圆筒的长度和它的序号之间有什么定量关系？第n个金属圆筒的长度应该是多少？【解析】电子从金属丝到金属板，由动能定理得：①由①得例2.炽热的金属丝可以发射电子。在金属丝和金属板之间加以电压U=2500V，发射出的电子在真空中加速后，从金属板的小孔穿出。电子穿出时的速度有多大？设电子刚刚离开金属丝时的速度为0。答案：73.010m/s例3.如图所示的电场中有A、B两点，A、B的电势差UAB＝100V，一个质量为m=2.0×10-12kg、电量为q=-5.0×10-8C的带电粒子，以初速度v0=3.0×103m/s由A点运动到B点，求粒子到达B点时的速率。（不计粒子重力）A-v0BABABqUW2022121mvmvWAB202vmqUvABsm/10232022121mvmvqUABq为负m+q+_v0你能画出带电微粒的运动轨迹吗？【探究二：带电粒子的偏转规律】问题：带电粒子的偏转：（不计重力）+++++++++---------v0+q.mdlF+1.运动状态分析：带电粒子以速度v0垂直于电场线方向飞入两带电平行板产生的匀强电场时，若只受电场力作用，则带电粒子做匀变速曲线运动。2.偏转问题的分析处理方法：（类似平抛运动分析方法）（1）沿初速度方向是速度为v0的匀速直线运动；（2）沿电场力方向是初速度为零的匀加速直线运动。FamqEmqUmd0ltv212yat2202qUlmvd类平抛运动与粒子比荷成正比与粒子初速度v0的平方成反比与电场的属性U、l、d有关qmFamqEmqUmd0ltvyvat0qUlmvd与粒子比荷成正比与粒子初速度v0的平方成反比与电场的属性U、l、d有关0tanyvv20qUlmvdqm例4.如图所示,相距为d，长度为l的平行板AB加上电压后,可在A、B之间的空间中产生电场,在A、B左端距AB等距离处的O点,有一电量为+q，质量为m的粒子以初速度v0沿水平方向(与A、B板平行)射入。不计重力,要使此粒子能从C处射出,则A、B间的电压应为()A.B.C.D.2202qlmvd2202qdmvlqdlmv0qlqmv0vo++++++++--------dABOCAU1+_电场中加速电场中偏转+_U2【探究三：带电粒子先加速再偏转的运动规律】mqUv102122202242dULUvLmdqUy22201qULLUtanmdv2dU++++++------+_U1U2v-qmLv0加速偏转电荷经加速电场加速后进入偏转电场通过加速电场的末速度为进入偏转电场的初速度例5.如图所示AB、CD为平行金属板,A、B两板间电势差为500V,C、D始终和电源相接,测得其间的场强为104V/m,一质量为2.5×10-24㎏,电荷量为8×10-16C的带电粒子(重力不计)由静止开始,经A、B加速后穿过CD发生偏转,最后打在荧光屏上,已知C、D极板长均为4cm,荧光屏距CD右端的距离为3cm,问:(1)粒子带正电还是带负电?答案：粒子带正电(2)粒子打在荧光屏上距O点下方多远处?----++++DABsLOC解析:出AB电场时速度2qUvm水平方向:xvvsvtx竖直方向:yvat221aty其中mqEavst由此得到yxvEstanαv2UUEsy42UEsLsyy2)2(tan1代入数据可得my210210(3)粒子打在荧光屏上时的动能为多大?----++++DABsLOC解析：由刚刚的推导知道:mUqEsvy2所以粒子打在荧光屏上动能:222121yxmvmvEUSqEqU222USEUq4)4(222代入数据可得JE131064.4注意：某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗示或运动状态来判定电场中的带电粒子一般可分为两类：1.带电的基本粒子：如电子，质子，α粒子，正负离子等。这些粒子所受重力和电场力相比小得多，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。（但并不能忽略质量）2.带电微粒：如带电小球、液滴、尘埃等。除非有说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。【归纳总结】带电粒子在匀强电场中运动状态：匀变速直线运动—加速、减速匀变速曲线运动—偏转平衡（F合=0）匀变速运动（F合≠0）静止匀速直线运动【探究四：示波管的工作原理】YY’XX’-+--+-若金属平行板水平放置,电子将在竖直方向发生偏转若金属平行板竖直放置,电子将在水平方向发生偏转偏转电极的不同放置方式YY′X′YY′随信号电压同步变化，但由于视觉暂留和荧光物质的残光特性，只能看到一条竖直的亮线。X示波器图像如果在XX′之间不加电压,而在YY′之间所加的电压按图所示的规律随时间变化，在荧光屏上会看到什么图形？同理可得亮斑在水平方向的偏移随加在ＸＸ′上的电压而变化，若所加的电压为特定的周期性变化电压则亮斑在水平方向来回运动——扫描，如果扫描电压变化很快，亮斑看起来为一条水平的亮线。UXt扫描电压示波器图像YY′X′X如果在YY′之间加如图所示的交变电压，同时在XX′之间加锯齿形扫描电压，在荧光屏上会看到什么图形？XYOABCDEFABCDEFABOCt1DEFt2UyUx如果信号电压是周期性的，并且扫描电压与信号电压的周期相同，就可以在荧光屏上得到待测信号在一个周期内随时间变化的稳定图像。（1）电子枪：发射并加速电子。（2）偏转电极：YY′使电子束竖直偏转；XX′使电子束水平偏转。（3）荧光屏：电子束打到荧光屏上能使该处的荧光物质发光。带电粒子处于电场中加速2201122qUmvmv偏转1.偏转距离：20()2qUlymdv2.偏转角度：20tanqUlmdv应用带电粒子在交变电场中运动粒子做单向直线运动粒子做往返运动粒子做偏转运动示波器1．带电粒子垂直场强方向进入匀强电场，仅在电场力作用下发生偏转，在这一过程中带电粒子的（）A．电势能增加，动能减小B．电势能减小，动能增加C．机械能保持不变D．电势能的减小大于机械能的增加B2.如图所示，M、N是在真空中竖直放置的两块平行金属板，质量为m、电量为+q的带电粒子，以极小的初速度由小孔进入电场，当M、N间电压为U时，粒子到达N板的速度为v，如果要使这个带电粒子到达N板的速度为2v，则下述方法能满足要求的是（）A.使M、N间电压增加为2UB.使M、N间电压增加为4UC.使M、N间电压不变，距离减半D.使M、N间电压不变，距离加倍MNUd+B3.(2020·浙江7月选考)如图所示,一质量为m、电荷量为q(q0)的粒子以速度v0从MN连线上的P点水平向右射入大小为E、方向竖直向下的匀强电场中。已知MN与水平方向成45°角,粒子的重力可以忽略,则粒子到达MN连线上的某点时()A.所用时间为B.速度大小为3v0C.与P点的距离为D.速度方向与竖直方向的夹角为30°C0mvqE2022mvqE4.如图所示,初速度为零的α粒子和电子在电势差为U1的电场中加速后,垂直进入电势差为U2的偏转电场,在满足电子能射出偏转电场的条件下,正确的说法是()A.α粒子的偏转量大于电子的偏转量B.α粒子的偏转量小于电子的偏转量C.α粒子的偏转角大于电子的偏转角D.α粒子的偏转角等于电子的偏转角DU2U1122022tandULUmdvLqU122202242dULUvLmdqUy带电粒子的偏移量由系统决定,而与粒子的质量、电荷量无关黎明的曙光对暗夜是彻底的决裂，对彩霞是伟大的奠基。停止前进的脚步，江河就会沦为一潭死水。