10.5带电粒子在电场中的运动 课件-2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

10.5 带电粒子在电场中的运动 学习目标 1．会从运动和力的关系的角度、从功和能量变化的关系的角度分析带电粒子在匀强电场中的加速问题。 2．知道带电粒子垂直于电场线进入匀强电场运动的特点，并能对偏移距离、偏转角度、离开电场时的速度等物理量进行分析与计算。 3．了解示波管的基本结构和工作原理. 新知探究 任务1 带电粒子在电场中的加速 1.情境引入 新知探究 电子直线加速器原理 如图，在金属丝与金属板之间加上高电压，金属丝通电后发热可发射出“热电子”，电子在金属丝与金属板之间的电场作用下加速飞出金属板的小孔，并获得很大的动能。 新知探究 2.问题引领 1.电子在运动过程中受到哪些力的作用？这些力有什么关系？ 2.电子在电场力作用下获得多少动能？ 3.电子飞出金属板时速度大小是多少？ 电子受到电场力和重力，重力远小于电场力，对电子运动的影响可忽略不计。 新知探究 3.知识生成 1.基本粒子的受力特点：对于质量很小的基本粒子，如_______、_______等，它们受到重力的大小一般远小于静电力，故可以忽略。 电子 质子 2.带电粒子在电场中加速 （1） 带电粒子在电场中加速（直线运动）的条件：只受_________作用时，初速度为零或与电场力方向_______。 电场力 相同 （2） 分析方法： 。 动能定理 （3） 结论：初速度为零、电荷量为q、质量为m的带电粒子，经过电势差为U的电场加速后，获得的速度v=___________。 新知探究 4.应用探究 [活动1]带电粒子在匀强电场中的直线运动 D 【例1】如图所示，两平行金属板相距为d，电势差为U，一电子质量为m、电荷量为-e，从O点沿垂直于极板的方向射出，最远到达A点，OA=h，求此电子具有的初动能是（ ） 新知探究 [活动2]带电粒子在交变电场中的直线运动 【例2】如图10.5-1甲，某装置中，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10.5-1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? 设电子进入第n个圆筒的速度为v，根据动能定理有： 得： 第n个圆筒的速度l为： 即： 圆筒长度跟圆筒序号的平方根 成正比，第n个圆筒的速度l是 解： 新知探究 【例3】（多选）如图1所示，两平行金属板相距足多大，中央有一个静止的电子（不计重力），当两板间加上如图2所示的交变电压后，在下图中，电子的速度v、位移x和加速度a三个物理量随时间t的变化规律可能正确的是（ ） AD A. B. C. D. 新知探究 任务2 带电粒子在电场中的偏转 1.情境引入 新知探究 2.问题引领 带电粒子受到的电场力有什么特征？与研究平抛运动的方法类比，应该如何研究带电粒子在匀强电场中的运动？ 两平行带等量异种电荷的金属板间的电场是匀强电场，粒子受到的电场力是恒力，且跟粒子初速度的方向垂直。同研究平抛运动一样，可以把带电粒子的运动分解为互相垂直的两个直线运动：沿初速度方向不受力，做匀速直线运动；沿电场力方向加速度恒定，做初速度为零的匀加速直线运动。 新知探究 3.应用探究 [例题4]如图10.5-2，两相同极板A与B的 长度l为6.0cm，相距d为2cm，极板间的 电压U为200V。一个电子沿平行于板面 的方向射入电场中，射入时的速度v0为 3.0×107m/s。把两板间的电场看作匀强电场，求电子射出电场时沿垂直于板面方向偏移的距离y和偏转的角度θ。 电子在电场中运动的加速度为 电子在电场中运动的时间为 新知探究 电子射出电场时，在垂直于极板方向偏移的距离为 v v0 vy θ 电子射出电场时，在垂直于极板方向的分速度为 则电子射出电场时的偏转角度θ为 查表可得θ=6.70 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。 偏转电极的放置方式 新知探究 任务3 示波管的原理 1.情境引入 有一种电子仪器叫作示波器，可以用来观察电信号随时间变化的情况。示波器的核心部件是示波管，下图是它的原理图。它由电子枪、偏转电极和荧光屏组成，管内抽成真空。 A B U1 E + F - - - - - - - - + + + + + + + + + U2 2.电子在示波管中的偏转计算 O 静止 l d y1 y2 y L 方法一： A B U1 E + F - - - - - - - - + + + + + + + + + U2 O 静止 l d y1 y2 y L 方法二： 2.电子在示波管中的偏转计算 - + Y Y’ X X’ Y Y’ X X’ ⑴如果在电极XX’之间不加电压,但在YY’之间加不变的电压,使Y的电势比Y’高(有时说这种情况是”Y正、Y’负”),电子束运动过程中受哪个方向的力?电子将打在荧光屏的什么位置? 电子枪 偏转电极 荧光屏 波形 3.示波管示波原理 - + Y Y’ X X’ Y Y’ X X’ ⑵如果在YY’ 之间不加电压,而在XX’之间加不变的电压, (X正、X’负), 电子将打在荧光屏的什么位置? 电子枪 偏转电极 荧光屏 波形 3.示波管示波原理 波形 - + Y Y’ X X’ Y Y’ X X’ ⑶直流波形的显示结果 波形 - + Y Y’ X X’ Y Y’ X X’ 扫描电压 信号电压 示波器显示的是信号电压的波形！ ⑶交流波形的显示结果 新知探究 A 新知探究 A 新知探究 3.（任务2）如图所示，两极板与电源相连接，电子从负极板边缘垂直电场方向射入匀强电场，且恰好从正极板边缘飞出。现在使电子入射速度变为原来的两倍，而电子仍从原位置射入，且仍从正极板边缘飞出，则两极板的间距应变为原来的( @60@ )。 C 新知探究 4.（任务3）（多选）示波管的原理图如图所示，下列说法正确的是( @62@ )。 ACD 任务4 范德格拉夫静电加速器 范德格拉夫静电加速器由两部分组成，一部分是产生高电压的装置，叫作范德格拉夫起电机;另一部分是利用高电压加速带电粒子的加速管。 由于电晕放电、局部尖端放电和漏电等现象，球壳与大地间的电压不能无限制提高。目前可达数百万伏。 带电粒子的加速是在加速管中进行的。加速管安装在起电机的绝缘支柱里面，管内抽成真空。管顶有离子发生装置，即粒子源，底部是靶。粒子源产生的正离子在强电场的作用下，经过加速可以获得很大的动能。由于粒子加速运动的轨迹是直线，这类加速器是一种直线加速器。 $$