1.9 带电粒子在电场中的运动 课件-2023-2024学年高二上学期物理教科版（2019）必修第三册

第 9 节 带电粒子在电场中的运动 第一章 静电场 教学目标 1．掌握带电粒子在电场中加速和偏转所遵循的规律． 2．带电粒子在电场中的偏转问题及应用. 新课引入 大型粒子对撞机 医用直线加速器(IGRT) 示波器 在现代科学实验和技术设备中，常利用电场来改变或控制带电粒子的运动。 对带电粒子在电场中的运动，从受力的角度来看，遵循牛顿运动定律，从做功的角度来看，遵循能的转化和守恒定律． ★研究带电粒子运动的主要工具： 电场力 加速度 电场力的功 动能定理 F=qE a=F/m W=qU 这里所说的带电粒子，指电子、质子等各种微观粒子，电场力远大于重力 研究它们在电场中运动时，重力可以忽略 【观察思考】 一、带电粒子的加速 1.为什么要在管内设置荧光屏？ 2.通过观察到的径迹，你认为电子在管内做的是什么运动？ 设置荧光屏是为了观察到电子的运动径迹 我们看到电子的运动径迹是一条直线，说明电子在管内做的是直线运动。 【情景】如图,真空中一对金属板间距为d,加上电压U。若一个质量为m,带正电荷q的粒子, 在静电力的作用下由静止开始运动从正极板向负极板运动。 【问题】1.带电粒子在两极板间做什么运动？ 2.如何求出到达另一极板的末速度v ？ U (不计粒子的重力） 解法一　利用牛顿第二定律结合运动学知识求解 解法二　利用静电力做功结合动能定理求解 当解决的问题属于匀强电场且运动时间等运动过程的物理量，适合运用解法一; 当问题只涉及位移、速率等动能定理公式中的物理量或非匀强电场情景时，适合运用解法二。 粒子在极板间做匀加速直线运动 单级加速---电子枪 低压电源加热灯丝产生热电子 高压 ＋ － 高压电源产生加速电场 【拓展应用】 多级加速 问题：如图多级平行板连接，能否加速离子？ U ＋ ＋ ＋ － － － A B C D E F 【拓展应用】 多级直线加速器示意图 U 0 u0 -u0 t T 2T U ~ ＋ － 【拓展应用】 【观察思考】 在阴极射线管靠左侧位置，加一个沿竖直方向的匀强电场，可以观察到电子束向下或向上偏转 1.电子在匀强电场内的运动轨迹为什么是曲线？你能用牛顿第二定律解释吗？ 电场力与速度不在同一直线上 与平抛运动类似 二、带电粒子在匀强电场中的偏转 2.电子如果以一定的初速度垂直电场方向射入匀强电场，只在电场力作用下运动，与我们在力学中的哪种运动规律类似？ 【情景】如图，水平放置一对金属板Y和Y′,长度为L，相距为d，极板间的电压为U。一电荷量为q质量为m的电子，从两板中央以水平速度v0射入。 【问题】 1.请你分析电子的运动？ 2.求电子穿出电场时的速度？ 3.求粒子束射出电场时沿电场线方向位移y的大小 d U + - v0 L Y Y′ - y x ) θ v0 v v┴ y 完成探究表 探究表 “带电粒子在匀强电场中的偏转” 探究内容 带电粒子在匀强电场中的偏转 ①运动性质 ②分析方法 水平： 运动 竖直： 运动 ③加 速 度 a= ④运动时间 t= ⑤位移分解 水平： 竖直： ⑥速度分解 水平： 竖直： 偏转角: tanθ= 匀变速曲线运动 做匀速直线 做初速度为零的匀加速直线 x=L vx=v0 【情景】如图，水平放置一对金属板Y和Y′,长度为L，相距为d，极板间的电压为U。一电荷量为q质量为m的电子，从两板中央以水平速度v0射入。 d U + - v0 L Y Y′ - y x ) θ v0 v v┴ y 拓展： L/2 tan÷L/2=2y/L 【物理意义】表示末速度v的线段反向延长，与x轴交于L/2处. 也可以说，垂直于电场线方向射入匀强电场中的带电粒子，就好像先沿直线前进，到L/2处偏折θ角再沿直线飞出电场 . 利用电场使带电粒子偏转，在技术上有很多应用。以前示波器中的显示仪器——示波管就是利用电场来控制电子束的路径，从而可以把信号显示在屏幕上。 电子枪 偏转电极 - + 荧光屏 Y Yˊ X Xˊ Xˊ X Y Yˊ 产生高速飞行的电子束 锯齿形扫描电压 使电子沿Y方向偏移 待显示的电压信号 使电子沿X方向偏移 要使图像在水平方向展开，应在XX′之间加怎样的电压？ Y Y′ X ′ X 亮斑在水平方向来回运动－－扫描. B C D E A 一个小实验的启示 t Uxx′ A B D C E Y Y′ X′ X 若在YY′之间加如图信号电压，同时在XX′之间加如图扫描电压，两者周期相同，则在荧光屏上就