2.4 带电粒子在电场中的运动 课件 -2022-2023学年高一下学期物理鲁科版（2019）必修第三册

2.4 带电粒子在电场中的运动 复习回顾： 1、高一我们重点研究过哪些运动形式？ （1）直线运动——匀速直线运动和匀变速直线运动 （2）曲线运动——平抛运动和匀速圆周运动 2、对这些运动形式的研究主要采用的哪些方法？ （1）动力学方法——牛顿定律和运动学公式 （2）能量方法——动能定理和能量守恒定律 3、不管用哪种方法研究物体的运动必须做的是什么？ 对研究对象做好受力分析 示波器和直线加速器等设备通过电场来控制带电粒子的运动。 电场力： 加速度： 电场力做的功： 动能定理： F=qE W=qU 研究带电粒子运动的主要工具： a=== W=qU=mvt2-mv02 ①基本粒子：如电子、质子、α粒子、离子等除有说明或有明确的暗示以外，一般都不考虑重力(但并不忽略质量)； 带电粒子的分类 ②带电颗粒：如液滴、尘埃、小球等，除有说明或有明确的暗示以外，一般都不能忽略重力。 方法1：动能定理 质子到达负极板时的速度为v 则由动能定理 得 利用电场可以让带电粒子得到加速获得动能和速度。 通过改变两极板间的电压，可以控制带电粒子获得的动能和速度。 一、带电粒子的加速运动 qU= v= 方法2：牛顿第二定律和运动学公式 质子在电场中的加速度为a 牛顿第二定律: 得 匀强电场中：F=qE 用匀变速直线运动规律，质子运动到负极板时： 也可得到：到负极板时质子的速度： v2=2ad v= 各种原因的限制，加速电压难以达到理想水平，只加速一次，带电粒子的动能难以达到实际的需要，因此可以采用多次加速直线加速器、回旋加速器。 我国散裂中子源直线加速器 例1、如图所示，炙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，已知电子电荷量e=-1.6×10-19C，电子的质量m=0.91×10-30kg。 【答案】v=3.0×107m/s 【解析】电子从金属丝到金属板，由动能定理得：eU=mv2 求解得：v==3.0×107m/s 二、带电粒子在电场中的偏转 示波管结构示意图 利用电场使带电粒子的运动方向发生变化，向预期的方向偏转，是控制带电粒子运动的一种常见方式。 运动状态分析： 电场力垂直初速度v0方向 处理问题方法： 化曲为直，分成两个垂直的直线运动 初速度方向上： 匀速直线运动 电场力方向上： 初速为零的匀加速直线运动 分析：板间距为d，电压U，长度L，质子质量为m，电荷量为q，重力不计。 L=v0·t a= 如图所示，一质子水平射入竖直偏转电场中，由于受到竖直方向静电力的作用，质子射出时将发生偏转。已知质子的质量m，电荷量为q，射入时速度为v0，极板长为l，两极板间距离为d，极板间电压为U，入射方向与极板平行，不考虑重力的影响。求质子离开电场时竖直方向偏移的距离y和偏转的角度α。 12 1、粒子受到竖直向下的电场力。 2、运动规律分析：粒子作类平抛运动。 x方向：匀速直线运动 y方向：匀加速直线运动。 3、x方向：vx=v0 l= v0t 4、y方向：vy= y= 5、离开电场时的偏转角度的正切： 6、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正切值的。 例2、如图所示，从炽热的金属丝逸出的电子（速度可视为零），经加速电场加速后从两极板中间垂直射入偏转电场。电子的重力不计。在满足电子能射出偏转电场的条件下，下述四种情况中，一定能使电子的偏转角变大的是(　) A.仅将偏转电场极性对调 B.仅增大偏转电极间的距离 C.仅增大偏转电极间的电压 D.仅减小偏转电极间的电压 C 【解析】设加速电场的电压为U0，偏转电压为U，极板长度为L，间距为d，电子加速过程中，由U0e=，得v0=，电子进入极板间后做类平抛运动，时间t=，加速度a=，竖直分速度vy=at，tanθ==，故可知C正确。 （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。 偏转电极 亮斑 亮斑 电子枪 加速电压 荧光屏 - + 拓展应用：示波管 Y Y ′ X X ′ + - + - 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： 例3、如图所示，电子（重力可忽略）在电势差U0＝4500V的加速电场中，从左极板由静止开始运动，经加速电场加速后，从右板中央垂直射入电势差U＝