10.5 带电粒子在电场中的运动 课件-2022-2023学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

第十章 静电场中的能量 第5节 带电粒子在电场中的运动（1） 现代医学中，常使用医用粒子直线加速器产生的高速粒子轰击癌细胞，以治疗癌症，其工作原理有两种： 情境与思考 思考：电子在加速器中是受到什么力而加速的？ （2）“电子束放射疗法”：用被加速的电子轰击重金属靶，产生放射线用于医学治疗。 （1）“质子放射疗法”：先将质子加速到具有较高的能量，再使其攻击肿瘤，杀死癌细胞。 问题1： 物体在重力场中仅受重力作用时可能做哪些运动？ 自由落体运动 竖直上抛运动 竖直下抛运动 平抛运动 斜抛运动 问题2：带电粒子在匀强电场中仅受电场力作用时可能做哪些运动？ 匀加速直线运动 类平抛运动 类斜抛运动 匀减速直线运动 要考虑重力吗？ ①微观带电粒子：电子、质子、粒子、离子等，除特别说明或暗示外，一般不考虑 ②宏观带电粒子：液滴、油滴、尘埃、小球等，除特别说明或暗示外，一般考虑 F F F F v - + E v - + E 匀减速 匀加速 匀减速 匀加速 E 例1. 带电粒子由静止释放在电场中运动距离x后的速度为多少？ 有哪几种求解方法？ 方法1：动力学 由牛顿第二定律： 由运动学公式： 若初速度不为零呢？ 方法2：动能定理 由动能定理： A + B m,q x F 带电粒子在电场中的直线运动 U,d + ﹣ 例1. 带电粒子由静止释放在电场中运动距离d后的速度为多少？ 有哪几种求解方法？ 方法1：动力学 方法2：动能定理 E A + B m,q x U 拓展1：若初速度v0方向与电场方向相反，则电荷沿初速度 方向能运动多远？ 拓展2：若电场为非匀强电场（如右图），则应如何求速度？ 方法1：动力学 方法2：动能定理 方法2：动能定理 v0 F 带电粒子在电场中的直线运动 小结：若带电粒子初速度为零，则电场中被加速后，速度 与q成正比 与成正比 例2. 下列粒子由静止经加速电压为U的电场加速后，哪种粒子动能最大( )？ 哪种粒子速度最大( )？（其中me = 0.91×10-30kg；mH = 1.67×10-27kg） A. 质子 B. 电子 C. 氘核 D. 氦核 D B 带电粒子在电场中的直线运动 例3. 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2U B. 使M、N间电压增加为4U C. 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 小结：若带电粒子初速度为零，则电场中被加速后，速度 B M N U d + 带电粒子在电场中的直线运动 多级加速问题 思考1：如图多级平行板连接，间隙等宽，能否给电子加速？ U ＋ ＋ ＋ － － － 1 2 3 4 5 6 S E E E E E 思考2：如图多级平行板连接，间隙等宽，怎样能给电子加速？ U ＋ － ＋ － 1 2 3 4 5 6 S E E E E E ＋ － － ＋ － ＋ ~ 交流电 （1）依次穿过极板间隙的速度一样吗？ （2）穿过极板内部做何运动？ （3）普通交流电的频率是变化的还是不变的？ 不变 若穿过极板间隙的时间可忽略，上图装置如何改进？ 匀速直线 越来越大 依次穿过极板内部的时间一样吗？ 越来越少 内部场强为0 要求穿过极板的时间 多级加速问题 相等 多级直线加速器示意图 U O u0 -u0 t T 2T U ~ ＋ － 思考：若穿过极板间隙的时间可忽略，则穿过每个极板内部的时间为多少？ 例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？ 思考：电子筒内加速还是间隙加速？ 间隙 解：设电子进入第n个圆筒后的速度为v， 根据动能定理有： ∴ 第n个圆筒的长度为： 圆筒长度跟圆筒序号的平方根成正比， 第n个圆筒的长度是： 新教材 新高考 第十章 静电场中的能量 第5节 带电粒子在电场中的运动（2） l - - -