人教版高中物理选修3-1-19《带电粒子在电场中的运动》课件-(共20张).ppt

1、J2459J2459学生示波器学生示波器阴极射线管结构示意图阴极射线管结构示意图1.9 带电粒子在静电场中的运动带电粒子在静电场中的运动教学目标教学目标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，只受电场力，带电粒子做匀变速运动。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。4.4.培养学生综合运用力学和电学的知识分析解决带电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。

2、粒子在电场中的运动。导语导语:带电粒子在电场中受到电场力作用带电粒子在电场中受到电场力作用,所以产生所以产生加速度加速度,速度的大小和方向都可能发生变化速度的大小和方向都可能发生变化.利用电利用电场来改变或控制带电粒子的运动场来改变或控制带电粒子的运动,是在电子仪器设是在电子仪器设备中常用的方法和手段一般情况下，电场对带电备中常用的方法和手段一般情况下，电场对带电粒子的作用比较复杂，但离不开两种最基本的作用：粒子的作用比较复杂，但离不开两种最基本的作用：一是一是使带电粒子加速，使带电粒子加速，二是二是使带电粒子偏转使带电粒子偏转带电粒子在匀强电场中的运动带电粒子在匀强电场中的运动(一一)带电粒

3、子的加速带电粒子的加速(二二)带电粒子的偏转带电粒子的偏转(三三)示波管的原理示波管的原理电场中的带电粒子一般可分为两类：电场中的带电粒子一般可分为两类：1、带电的、带电的基本粒子基本粒子：如电子，质子，如电子，质子，粒子，正负离粒子，正负离子等。这些粒子所受重力和电场力相比小得多，一般子等。这些粒子所受重力和电场力相比小得多，一般都不考虑重力。（但并不能忽略质量）都不考虑重力。（但并不能忽略质量）2、带电微粒带电微粒：如带电小球、液滴、尘埃等。除有说明：如带电小球、液滴、尘埃等。除有说明或暗示外或暗示外,一般都考虑重力。一般都考虑重力。如图带电粒子初速度为如图带电粒子初速度为0 0，阴极和阳

4、极所加电压为，阴极和阳极所加电压为U U，带正电荷电量为带正电荷电量为q q，求带电粒子到达阴极板时的速度，求带电粒子到达阴极板时的速度v v。212qUmv 可得速度可得速度:2qUvm 方法一、利用功能关系研究方法一、利用功能关系研究一、带电粒子的加速一、带电粒子的加速2201122qUmvmv初速度不为零时，202qUvvm得：由动能定理得：由动能定理得：A ABU Ud dE E+F Fv1 1）受力分析）受力分析:2 2）运动分析）运动分析:_若粒子的初速度为零若粒子的初速度为零,则则:212mvqU若粒子的初速度不为零若粒子的初速度不为零,则则:0221122mvmvqU 结论：在

5、处理电场对带电粒子的加速问题时，一般都结论：在处理电场对带电粒子的加速问题时，一般都是利用动能定理进行处理。是利用动能定理进行处理。由于电场力做功由于电场力做功 与场强是否匀强无关，与运动路与场强是否匀强无关，与运动路径也无关，利用径也无关，利用动能定理处理带电粒子加速的动能定理处理带电粒子加速的方法方法仍仍适用适用WqU 炽热的金属丝可以发射电子。在金属丝和平炽热的金属丝可以发射电子。在金属丝和平行金属板间加以电压行金属板间加以电压U=2500V，发射出的电子在真空中，发射出的电子在真空中被加速后，从金属板的小孔穿出。电子射出后的速度有被加速后，从金属板的小孔穿出。电子射出后的速度有多大？设

6、电子刚从金属丝射出时的速度为零。多大？设电子刚从金属丝射出时的速度为零。解：由动能定理得解：由动能定理得212qUmv2qUvm193021.6102500/0.910ms73.010/ms U19301110,101.7 10/011.6.9eeCkgmemqkgeC已知：电子比荷 方法二：利用动力学方法研究方法二：利用动力学方法研究=qUFqEd 电场场强：UEd 带电粒子的速度:带电粒子受力为：带电粒子加速度：由运动学公式A ABU Ud dE E+F Fv1 1）受力分析）受力分析:2 2）运动分析）运动分析:22vad2qUvmFqUammdqUamd带电粒子做初速度为零，加速度为的

7、匀加速直线运动。课堂练习课堂练习1.1.一质量为一质量为m,m,所带电荷量为所带电荷量为-q-q的粒子以速度的粒子以速度v v0 0射入两带电射入两带电平行极板间平行极板间,如图所示如图所示,已知两极板间的电势差为已知两极板间的电势差为U,U,距离为距离为d,d,不计重力不计重力,则粒子穿出电场时的速度为（则粒子穿出电场时的速度为（）020022.22.UqUABvdmmvqUqUC vDdm 思考思考:若粒子从正极板水平射入电场若粒子从正极板水平射入电场,v,v0 0为多大时为多大时,粒子恰好粒子恰好到达负极板到达负极板?D D2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

8、电子由静止开始向Q板运板运动，则关于电子到达动，则关于电子到达Q板时板时的速度，下列解释正确的是的速度，下列解释正确的是()A两板间距离越大，加速的时间就两板间距离越大，加速的时间就越长，获得的速率就越大越长，获得的速率就越大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，获得的速度就越大获得的速度就越大C与两板间距离无关，仅与加速电压与两板间距离无关，仅与加速电压U有关有关D以上解释均不正确以上解释均不正确C.212qUmv解析：由解析：由 得得 ，v与加速电压与加速电压U有关有关2qUvm3.如图为示波管中电子枪的原理示意图，示波管内如图为示波管中电子枪的原理示意图，示波管内

9、被抽成真空，被抽成真空，A为发射热电子的阴极，为发射热电子的阴极，K为接在高为接在高电势点的加速阳极，电势点的加速阳极，A、K间电压为间电压为U.电子离开阴电子离开阴极时的速度可以忽略电子经加速后从极时的速度可以忽略电子经加速后从K的小孔中的小孔中射出的速度大小为射出的速度大小为v.下列说法中正确的是下列说法中正确的是 ()A如果如果A、K间距离减半而电压仍为间距离减半而电压仍为U不变，则电子离开不变，则电子离开K时时的速度变为的速度变为2vB如果如果A、K间距离减半而电压仍为间距离减半而电压仍为U不变，则电子离开不变，则电子离开K时时的速度为的速度为C如果如果A、K间距离保持不变而电压减半，

10、则电子离开间距离保持不变而电压减半，则电子离开K时的时的速度变为速度变为D如果如果A、K间距离保持不变而电压减半，则电子离开间距离保持不变而电压减半，则电子离开K时的时的速度为速度为解析：选解析：选D.由动能定理由动能定理 得得 ，带电粒子，带电粒子的速度的速度v与成正比，与与成正比，与A、K间距离无关，故间距离无关，故D正确正确2qUvm212qUmv2v2v22v3 3、如图所示、如图所示,电子由静止开始从电子由静止开始从A A板向板向B B板运动板运动,当到达当到达B B板板时速度为时速度为v,v,若充完电后断开电源，则（若充完电后断开电源，则（）A.A.当增大两极板间距时当增大两极板间

11、距时,v,v增大增大B.B.当减小两极板间距时当减小两极板间距时,v,v增大增大C.C.当减小两极板正对面积时当减小两极板正对面积时,v,v不变不变D.D.当增大两极板间距时当增大两极板间距时,电子在两极板间运动的时间增大电子在两极板间运动的时间增大A DA D作业作业1 1、P P39 39 问题与练习问题与练习1 1、2 2、J2459J2459学生示波器学生示波器阴极射线管结构示意图阴极射线管结构示意图1.9 1.9 带电粒子在静电场中的运动带电粒子在静电场中的运动（第（第2 2课时）课时）二、带电粒子的偏转（以电子在匀强电场中的偏转为例）二、带电粒子的偏转（以电子在匀强电场中的偏转为例

12、）受力分析：受力分析：电子受到竖直向下的电场力电子受到竖直向下的电场力运动分析运动分析:电子作电子作类平抛类平抛运动运动。UL L+-Y dY Y FV V=qUFqEd x垂直极板方向（）：匀加速直线()x平行：极板方向匀速直线电子以垂直电子以垂直于电场方向于电场方向的速度射入的速度射入匀强电场匀强电场0v1 1）过程分析）过程分析FameEmeUmd212yatyvat0 xlv t 0 xvv 00eU leUlmd vmv d222001()22eUleUlmd vmv d+-vU-emy0v0v0ltv飞行时间 yvx垂直极板方向（）：匀加速直线()x平行：极板方向匀速直线l+-ey

13、v0 0Udlvv0vy212yat 0tanyvv 沿电场的速度为：沿电场的速度为：02eUlmv d yvat 0eUlmdv类平抛运动类平抛运动侧移侧移偏转角偏转角与粒子比荷与粒子比荷e/me/m成正比成正比侧移距离：侧移距离：与粒子比荷与粒子比荷e/m成正比成正比与与v02 2、d d成反比成反比与与U、l成正比成正比220=2eUlmv d2）侧移距离和偏转角：）侧移距离和偏转角：+-eyv0 0Udlvv0vyl/2电子射出速度方向的反向延长线交于电子射出速度方向的反向延长线交于初速度所在直线的初速度所在直线的中点。中点。2ltanyx类平抛运动中，逆着出射方向看，粒子好像从初速度

14、类平抛运动中，逆着出射方向看，粒子好像从初速度所在直线所在直线沿线段中点射出沿线段中点射出。3 3）电子射出速度方向的反向的特点：）电子射出速度方向的反向的特点：x220202q U lm vdq U lm vdUL L+-Y dY Y v v0 0 FV解解:电子进入偏转电场后电子进入偏转电场后,在竖直方在竖直方向做初速度为零的匀加速直线运动向做初速度为零的匀加速直线运动.FameEmeUmd0ltv飞行时间 212yat2200.362eUlmv dmyvat00eU leUlmd vmv d200tanyveUlvmdv 6.8+-vv0vy+_UU222024eU lU lymv dd

15、U在偏转电场中：20tan2eU lU lmv ddU-em2 2、加速和偏转一体的情形加速和偏转一体的情形y2020122mveUmveU在加速电场中：得 偏转情况与带电粒子质量、电量无关偏转情况与带电粒子质量、电量无关lv0 01.1.一束由不同种正离子组成的粒子流以相同的速度，一束由不同种正离子组成的粒子流以相同的速度，从同一位置沿垂直于电场方向射入匀强电场中，所有从同一位置沿垂直于电场方向射入匀强电场中，所有离子的轨迹都是一样的，这说明所有粒子（离子的轨迹都是一样的，这说明所有粒子（）A.A.都具有相同的比荷都具有相同的比荷 B.B.都具有相同的质量都具有相同的质量C.C.都具有相同的

16、电量都具有相同的电量 D.D.都属于同一元素的同位素都属于同一元素的同位素【解析】当粒子从偏转电场中飞出时的侧移，速度的偏角相同时，则粒子的轨迹相同.由已知条件及结论 得：当粒子的比荷相同时，轨迹相同.【答案】A2202qUxymv dA A课堂练习课堂练习 2 2、三个电子在同一地点沿同一直、三个电子在同一地点沿同一直线垂直飞入偏转电场，如图所示线垂直飞入偏转电场，如图所示,可判断可判断 （）A.bA.b和和c c同时飞离电场同时飞离电场B.B.在在b b飞离电场的瞬间，飞离电场的瞬间，a a刚好打在下极板上刚好打在下极板上C.C.进入电场时，进入电场时，c c速度最大，速度最大，a a速度

17、最小速度最小D.cD.c的动能增量最小，的动能增量最小，a a和和b b的动能增量一样大的动能增量一样大 BCDBCD212222yyymdyattqUaqUmd 0 xvt0221122ymvmvqUqE y3 3、如图，质量为、如图，质量为m m、电量为、电量为e e的电子，从的电子，从A A点以速度点以速度v v0 0垂垂直场强方向射入匀强电场中，从直场强方向射入匀强电场中，从B B点射出电场时的速度点射出电场时的速度方向与电场线成方向与电场线成120120o o角，问角，问A A、B B两点间的电势差是多少？两点间的电势差是多少？2201122ABeUmvmv由动能定理得：0002co

18、s303vvv解：由速度合成得：2220001412326ABmvmvmvUee解得：3、带电粒子离开电场后的运动、带电粒子离开电场后的运动+L LU Uy y =?=?20()tan=()()222 2lleU lllUyLLLmdvdU总20tan2eU lU lmdvdU离开偏转电场时偏转角的正切荧光屏荧光屏电子在极板外的偏移为：电子在极板外的偏移为：ly 2LlUdU tanL 电子的总偏移为：电子的总偏移为：yyy 总总(2)4lULlUdUyU222024eU lU lymv ddU离开偏转电场时的侧移：实验录像：用阴极射线管演示带电粒子在电场中的偏转实验录像：用阴极射线管演示带电

19、粒子在电场中的偏转作业作业1 1、P P39 39 问题与练习问题与练习3 3、4 4、5 52 2、总结带电粒子在匀强电场中的运动性质、总结带电粒子在匀强电场中的运动性质（不计重力）（不计重力）、构造、构造电子枪电子枪偏转电极偏转电极-+荧光屏荧光屏YYXXYYXX（1 1）电子枪：发射并加速电子）电子枪：发射并加速电子（2 2）偏转电极：）偏转电极：YYYY使电子束竖直偏转；使电子束竖直偏转；XXXX使电子束水平偏转使电子束水平偏转（3 3）荧光屏：电子束打到荧光屏上能使该处的荧光物质发光。）荧光屏：电子束打到荧光屏上能使该处的荧光物质发光。三、示波管的原理三、示波管的原理2 2、原理、原

20、理（）（）的作用：被电子枪加速后在的作用：被电子枪加速后在的电场的电场中做匀变速曲线运动，出电场后做匀速直线运动打到荧中做匀变速曲线运动，出电场后做匀速直线运动打到荧光屏上，出现亮斑，可推得在竖直方向偏移：光屏上，出现亮斑，可推得在竖直方向偏移：20()2ellyyyLUmv d总偏即即sinmyyt总若信号电压若信号电压sinmuUt20(s)i2nmqllyyyLmvdUt总如果在如果在XXXX 之间不加电压之间不加电压,而在而在YYYY之间所加的电压按图之间所加的电压按图所示的规律随时间变化所示的规律随时间变化YYX yy随信号电压同步变化，但由于视觉暂留和荧光物随信号电压同步变化，但由

21、于视觉暂留和荧光物质的残光特性，只能看到一条质的残光特性，只能看到一条竖直的亮线竖直的亮线X示波器图象示波器图象sinmyyt总UXt扫描电压扫描电压（）（）的作用：同理可得亮斑在水平方向偏移随加在的作用：同理可得亮斑在水平方向偏移随加在上的电压而变化，若所加的电压为特定的周期性变化上的电压而变化，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，亮斑看起来为一条化很快，亮斑看起来为一条水平的亮线水平的亮线示波器图象示波器图象YYXX20()()2mqllxLUktmv d如果在如果在YYYY之间加如图所示的之

22、间加如图所示的交变电压交变电压，同时在同时在XXXX之间加之间加锯齿形扫描电压锯齿形扫描电压，在荧光屏上会看到什么图形？在荧光屏上会看到什么图形？XYOA AB B C CDDE E F FA A B BC CDDE E F FA AB BOOC Ct t1 1DDE EF Ft t2 2如果信号电压是周期性的，并且扫描电压与信号电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象一个周期内随时间变化的稳定图象XYYXUXt示波器图象示波器图象例如图例如图1.5-131.5-13所示

23、，水平放置的两块平行金属所示，水平放置的两块平行金属板长板长l=5cml=5cm，两板间距，两板间距d=1cmd=1cm，两板间电压为，两板间电压为U=90VU=90V，且上板带正电，一个电子沿，且上板带正电，一个电子沿水平方向以速度水平方向以速度v v0 0=2.0=2.010107 7m/sm/s，从两板中央射入，求：从两板中央射入，求：（1 1）电子偏离金属板的侧位移是多少？）电子偏离金属板的侧位移是多少？（2 2）电子飞出电场时的速度是多少）电子飞出电场时的速度是多少（3 3）电子离开电场后，打在屏上的）电子离开电场后，打在屏上的P P点，点，若若s=10cms=10cm，求，求OPO

24、P的长的长dyxsly0OPM图图1.5-13222113272090(5 10)1.76 104.95 104.9522(2.0 10)0.01qUlymmmmmv d22700222 10/qEyqUvvvym smmd420()tan=()247.5 102.47522llqUlOPSSmcmmdv一、带电粒子加速一、带电粒子加速二、带电粒子偏转二、带电粒子偏转动力学角度分析动力学角度分析-匀强电场匀强电场做功和能量的角度分析做功和能量的角度分析-任意电场任意电场类平抛运动类平抛运动的分析方法的分析方法垂直电场方向上做：垂直电场方向上做：匀速直线运动匀速直线运动平行电场方向上做：平行电场

25、方向上做：v v0 0=0=0的匀加速运动的匀加速运动小结：小结：22011-22tqUmvmv222024qU LULymd vUd20tan2qU LLUmdvUd轨迹夹在力与速度之间轨迹夹在力与速度之间带电粒子离开电场后的运动带电粒子离开电场后的运动20()tan=()22llqU lyLLmdv总 逆着出射方向看，粒子好像从逆着出射方向看，粒子好像从初速度所在直线初速度所在直线沿直线中点射出沿直线中点射出：+ltanyx2l202qUvvm得：y作业作业1 1、P P39 39 问题与练习问题与练习4 4、5 52 2、总结视波管的工作原理、总结视波管的工作原理喷雾器喷雾器E E电动势电动势E Emgmgx xF F阻阻F F电电油油滴滴A AB B显微镜显微镜密立根油密立根油滴实验的滴实验的原理图原理图.:=bqEmgmgqE 重力场 与电力平衡密立根测量出电子的电量密立根测量出电子的电量e=1.6022e=1.60221010-19-19C C根据比荷可以精确地计算出电子的质量根据比荷可以精确地计算出电子的质量 m=9.1094m=9.10941010-31-31kgkg质子质量与电子质量的比值：质子质量与电子质量的比值：pem=1836m111.76 10/qC kgm比荷：