第10章 第5节 带电粒子在电场中的运动（课件PPT）-【状元桥·优质课堂】2024-2025学年高中物理必修第三册（人教版2024）

静电场中的能量 第十章　 第5节　带电粒子在电场中的运动 课件使用说明 本课件使用Office2016制作，请使用相应软件打开并使用。 本课件文本框内容可编辑，单击文本框即可进行修改和编辑。 本课件理科公式均采用微软公式制作，如果您是Office2007或WPS 2021年4月份以前的版本，会出现包含公式及数字无法编辑的情况，请您升级软件享受更优质体验。 由于WPS软件原因，少量电脑可能存在理科公式无动画的问题，请您安装Office 2016或以上版本即可解决该问题。 课前·教材预案 课堂·深度探究 课末·随堂演练 课后·限时作业 [学习目标]　1.会分析带电粒子在电场中的直线运动，掌握求 解带电粒子直线运动问题的两种方法（科学思维）.2.会用运动 的合成与分解的知识，分析带电粒子在电场中的偏转问题（科 学思维）.3.了解示波管的构造和基本原理（物理观念）. 返回目录 物理　必修　第三册 　 课前·教材预案 知识点一　带电粒子在电场中的加速 分析带电粒子的加速问题有两种思路： 1.利用 定律结合匀变速直线运动公式分析.适用的 电场是 ⁠. 2.利用静电力做功结合动能定理分析.对于匀强电场和非匀强电场都适用，公式有qEd＝mv2－m（匀强电场）或qU＝mv2－m（任何电场）等. 牛顿第二　 匀强电场　 返回目录 物理　必修　第三册 　 知识点二　带电粒子在电场中的偏转 如图所示，质量为m、带电荷量为q的粒子（忽略重力），以 初速度v0平行于两极板进入匀强电场，极板长为l，极板间距离 为d，极板间电压为U. 返回目录 物理　必修　第三册 　 1.运动性质： （1）沿初速度方向：速度为 的 运动. （2）垂直v0的方向：初速度为 的匀加速直线运动. v0　 匀速直线　 零　 返回目录 物理　必修　第三册 　 2.运动规律： （1）偏移距离：因为t＝ 　　，a＝ 　　， 偏移距离y＝at2＝ 　　. （2）偏转角度：因为vy＝at＝ ⁠， tan θ＝＝ 　　. 　 　 　 　 　 返回目录 物理　必修　第三册 　 知识点三　示波管的原理 1.构造 示波管是示波器的核心部件，外部是一个抽成真空的玻璃壳， 内部主要由 （由发射电子的灯丝、加速电极组 成）、 （由偏转电极XX'和偏转电极YY'组成） 和 组成，如图所示. 电子枪　 偏转电极　 荧光屏　 返回目录 物理　必修　第三册 　 2.原理 （1）扫描电压：XX'偏转电极接入的是由仪器自身产生的锯齿 形电压. （2）灯丝被电源加热后，出现热电子发射，发射出来的电子 经加速电场加速后，以很大的速度进入偏转电场，如果在Y偏 转极板上加一个 ，在X偏转极板上加一 ⁠ ，在荧光屏上就会出现按Y偏转电压规律变化的可视图像. 信号电压　 扫描电 压　 返回目录 物理　必修　第三册 　 1.判断下列说法的正误. （1）动能定理能分析匀强电场中的直线运动问题，不能分析 非匀强电场中的直线运动问题. （　×　） （2）带电粒子在匀强电场（仅受电场力）中无论直线加速还 是偏转，均做匀变速运动. （　√　） （3）重力不计的带电粒子以垂直于电场的速度射入匀强电场 中做类平抛运动. （　√　） （4）只有在XX'上加上恒定电压时，电子束沿YY'方向偏转. （　×　） × √ √ × 返回目录 物理　必修　第三册 　 2.炽热的金属丝可以发射电子.在金属丝和金属板之间加上电压 U，发射出的电子在真空中加速后，从金属板的小孔射出.设电 子的电荷量为e，质量为m，则电场对电子做功为 ⁠，不 计电子离开金属丝时的初速度，电子从金属板的小孔射出的速 度为 ⁠. eU　 　 返回目录 物理　必修　第三册 　 课堂·深度探究 考点一　带电粒子在电场中的加速 【情境导学】带电粒子在匀强电场或非匀强电场中加速时，怎 样计算末速度的大小？ 答案　分析带电粒子在匀强电场中的加速运动，可以用牛顿运 动定律结合运动学公式列式求解，也可以用动能定理列式求 解；分析带电粒子在非匀强电场中的加速运动，只能用动能定 理或功能关系求解. 返回目录 物理　必修　第三册 　 【知识拓展】 1.带电粒子的分类及受力特点 （1）电子、质子、α粒子、离子等粒子，一般都不考虑重力， 但不能忽略质量. （2）质量较大的微粒，如带电小球、带电油滴、带电颗粒 等，除有说明或有明确的暗示外，处理问题时一般都不能忽略 重力. （3）受力分析仍按力学中受力分析的方法分析，切勿漏掉静 电力. 返回目录 物理　必修　第三册 　 2.求带电粒子的速度的两种方法 （1）从动力学角度出发，用牛顿第二定律和运动学知识求解. （适用于匀强电场） 由牛顿第二定律可知，带电粒子运动的加速度的大小a＝＝ ＝.若一个带正电荷的粒子，在静电力作用下由静止开始从 正极板向负极板做匀加速直线运动，两极板间的距离为d，则 由v2－＝2ad可求得带电粒子到达负极板时的速度v＝ ＝. 返回目录 物理　必修　第三册 　 （2）从功能关系角度出发，用动能定理求解.（可以是匀强电 场，也可以是非匀强电场） 带电粒子在运动过程中，只受静电力作用，静电力做的功W＝ qU，根据动能定理，当初速度为零时，W＝mv2－0，解得v＝ ；当初速度不为零时，W＝mv2－m，解得v＝. 返回目录 物理　必修　第三册 　 【例题1】如图所示，在P板附近有一电子由静止开始向Q板运 动.已知两极板间电势差为U，板间距为d，电子质量为m，电 荷量为e，重力不计.则关于电子在两板间的运动情况，下列叙 述正确的是（　　） A.若将板间距d增大一倍，则电子到达Q板的速率保持不变 B.若将板间距d增大一倍，则电子到达Q板的速率也增大一倍 C.若将两极板间电势差U增大一倍，则 电子到达Q板的时间保持不变 D.若将两极板间电势差U增大一倍，则 电子到达Q板的时间减为一半 返回目录 物理　必修　第三册 　 思维导引：解题时可按以下思路分析 答案　A 返回目录 物理　必修　第三册 　 解析　由动能定理有mv2 ＝ eU，得v＝，可见电子到达Q板的速率与板间距离d无关，选项A正确，B错误；两极板间为匀强电场E＝，电子的加速度a＝，由运动学公式d＝at2得t＝＝，若两极板间电势差增大一倍，则电子到达Q板时间减为原来的，选项C、D错误. 返回目录 物理　必修　第三册 　 【变式1】（多选）如图所示，M、N是真空中的两块相距为d 的平行金属板，质量为m、电荷量为q的带电粒子，以初速度v0 由小孔进入电场，当M、N间电压为U时，粒子恰好能到达N 板.如果要使这个带电粒子到达距N板后返回，下列措施中能 满足要求的是（不计带电粒子的重力）（　　） A.使初速度减为原来的 B.使M、N间电压提高到原来的1.5倍 C.使M、N间电压提高到原来的3倍 D.使初速度和M、N间电压都减为原来的 答案　BD 返回目录 物理　必修　第三册 　 解析　由题意知，带电粒子在电场中做匀减速直线运动，当粒 子恰好能到达N板时，由动能定理，可得－qU＝－m，要使 粒子到达距N板后返回，设此时两极板间电压为U1，粒子的 初速度为v1，则由动能定理，可得－q＝－m，联立两方 程，得＝，选项B、D正确. 返回目录 物理　必修　第三册 　 1.基本规律 带电粒子在电场中的偏转，轨迹如图所示. （1）初速度方向 【知识拓展】 返回目录 物理　必修　第三册 　 （2）电场线方向 （3）离开电场时速度的偏转角的正切值：tan θ＝＝ （4）离开电场时位移与初速度方向的夹角的正切值：tan α＝＝. 返回目录 物理　必修　第三册 　 2.常用推论 （1）速度偏转角θ的正切值是位移方向与初速度方向夹角α的 正切值的2倍，即tanθ＝2tan α. （2）粒子从偏转电场中射出时，其速度反向延长线与初速度 方向交于沿初速度方向位移的中点. 返回目录 物理　必修　第三册 　 【例题2】一束电子流在经U＝5 000 V的加速电压加速后，在 距两极板等距处垂直进入平行板间的匀强电场，如图所示.若 两板间距d＝1.0 cm，板长l＝5.0 cm，那么，要使电子能从平 行板间飞出，两个极板上最多能加多大的电压？ 思维导引：先利用动能定理求出电子进入偏转电场时的速度， 再根据电子在偏转电场中的运动特点，结合E＝、F电＝qE等 公式求出偏转电压. 返回目录 物理　必修　第三册 　 解析　在加速电压一定时，偏转电压U'越大，电子在极板间的 偏转距离就越大，当偏转电压大到使电子刚好擦着极板的边缘 飞出，此时的偏转电压即为最大电压. 加速过程，由动能定理得eU＝m， 进入偏转电场，设偏转电场电压为U'，电子在平行于板面的方 向上做匀速直线运动，l＝v0t； 答案　400 V 返回目录 物理　必修　第三册 　 在垂直于板面的方向上做匀加速直线运动，加速度 a＝＝， 竖直方向的偏转距离y＝at2，能飞出的条件为y≤， 解得U'≤＝ V＝4.0×102 V， 即要使电子能飞出，所加电压最大为400 V. 返回目录 物理　必修　第三册 　 【变式2】如图所示，电子在电势差为U1的加速电场中由静止 开始运动，然后射入电势差为U2的两块平行极板间的电场中， 射入方向跟极板平行，整个装置处在真空中，电子的重力可忽 略.在满足电子能射出平行极板的条件下，下述四种情况，一 定能使电子的偏转角θ变大的是（　　） A.U1变大、U2变大 B.U1变小、U2变大 C.U1变大、U2变小 D.U1变小、U2变小 答案　B 返回目录 物理　必修　第三册 　 解析　设电子被加速后获得的速度为v0，由动能定理得eU1＝ m，设平行极板长为l，则电子在平行极板间偏转的时间t＝ ，设电子在平行极板间运动的加速度为a，由牛顿第二定律 得a＝＝，电子射出平行极板时，竖直分速度vy＝at，联立 可得vy＝，tan θ＝＝，故U2变大、U1变小时，一定 能使偏转角θ变大，选项B正确，A、C、D错误. 返回目录 物理　必修　第三册 　 1.构造 示波管是示波器的核心部分，外部是一个抽成真空的玻璃壳， 内部主要由电子枪（由发射电子的灯丝、加速电极组成）、偏 转电极（由一对X偏转电极板和一对Y偏转电极板组成）和荧 光屏组成，如图所示. 【知识拓展】 返回目录 物理　必修　第三册 　 2.原理 （1）扫描电压：XX'偏转电极接入的是由仪器自身产生的锯齿 形电压，可使亮斑从左向右扫描移动. （2）灯丝被电源加热后，发射热电子，发射出来的电子经加 速电场加速后，以很大的速度进入偏转电场，如果在Y偏转电 极上加一个周期性的信号电压，并且与扫描电压周期相同，那 么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 稳定图像. 返回目录 物理　必修　第三册 　 【例题3】如图所示为示波器的核心部分—示波管的原理示意 图，示波管内被抽成真空，并分布有电子枪、偏转电极等.给 电子枪通电后，如果在偏转电极XX'和YY'上都没有加电压， 电子束将打在荧光屏的中心. （1）电子在 　　　　（选填“Ⅰ”或“Ⅱ”）区域获得偏转. 解析　（1）Ⅰ区域是加速电场， Ⅱ是偏转电场，故电子在Ⅱ区域 获得偏转. 答案　（1）Ⅱ　 返回目录 物理　必修　第三册 　 （2）要想使电子束打在荧光屏坐标系的第一象限内，应使 UYY'、UXX' 　　　　（选填“＞”“＝”或“＜”）0. 思维导引：理解示波管的工作原理，其偏转方向应与相应极板 的电压高低有关. 解析　（2）要想使电子束打在 荧光屏坐标系的第一象限内， 则X、Y极板电势要较高些，故 应使UYY'、UXX'＞0. 答案　（2）＞ 返回目录 物理　必修　第三册 　 【变式3】如图甲所示为示波管的原理图.如果在电极YY'之间所加的电压按图乙所示的规律变化，在电极XX'之间所加的电压按图丙所示的规律变化，则在荧光屏上会看到的图形是（　　） A B C D 答案　B 解析　由题图乙及丙知，在0～t1时间内UY为正，Y板电势高，电子向Y板偏转，而此时UX为负，即X'电势高，电子向X'板偏转，选项B正确. 返回目录 物理　必修　第三册 　 课末·随堂演练 1.（带电粒子在电场中的加速）（多选）如图所示为示波管中 电子枪的原理示意图，示波管内被抽成真空.K为发射电子的阴 极，A为接在高电势点的加速阳极，A、K间电压为U，电子离 开阴极时的速度可以忽略不计，电子经加速后从A的小孔中射 出时的速度大小为v.下列说法正确的是（　　） A.如果A、K间距离减半而电压仍为U，则电子离 开A时的速度仍为v B.如果A、K间距离减半而电压仍为U，则电子离 开A时的速度变为 返回目录 物理　必修　第三册 　 C.如果A、K间距离不变而电压减半，则电子离开 A时的速度变为v D.如果A、K间距离不变而电压减半，则电子离开 A时的速度变为 答案　AC 返回目录 物理　必修　第三册 　 解析　根据动能定理得Ue＝，可得v＝， 可知v与A、 K间距离无关，若A、K间距离减半而电压仍为U，则电子离开 A时的速度仍为v，选项A正确，B错误；根据v＝可知，电 压减半时，电子离开A时速度变为v，选项C正确，D错误. 返回目录 物理　必修　第三册 　 2.（带电粒子在电场中的偏转）（多选）如图，质量相同的带 电粒子P、Q以相同的速度沿垂直于电场方向射入匀强电场中，P从平行板间正中央射入，Q从下极板边缘处射入，它们都打到上极板同一点，不计粒子重力，则（　　） A.它们运动的时间相同 B.它们运动的加速度不相等 C.它们所带的电荷量相同 D.静电力对它们做负功 答案　AB 返回目录 物理　必修　第三册 　 解析　运动时间为t＝，由于x、v0相等，选项A正确；根 据y＝at2可得a＝，Q的加速度是P的两倍，选项B正确； 再根据qE＝ma可知Q的电荷量是P的两倍，选项C错误；由 W＝qEd，静电力对两粒子均做正功，且对Q做的功是P的4 倍，选项D错误. 返回目录 物理　必修　第三册 　 3.（示波管）如图所示的是示波管的示意图，从电子枪发出的 电子通过两对偏转电极，如果偏转电极不加电压，则电子沿直 线打在荧光屏的中心O，当在两对偏转电极上同时加上电压 后，电子将偏离中心打在某个位置，现已标出偏转电极所加电 压的正负极，从示波管的右侧来看，电子可能会打在荧光屏上 哪一位置（　　） A.1位置 B.2位置 C.3位置 D.4位置 返回目录 物理　必修　第三册 　 答案　B 解析　根据两对偏转电极所加电压可知，竖直方向的电场强度 方向由Y指向Y'，则电子向Y方向偏转，水平方向的电场强度 方向由X'指向X，则电子向X'方向偏转，因此电子可能会打在 荧光屏上的2位置，选项B正确. 返回目录 物理　必修　第三册 　 4.（带电粒子在电场中的偏转）一束电子从静止开始经加速电 压U1加速后，以水平速度沿中线OO'射入水平放置的两平行金 属板中间，如图所示，金属板长为l，两板间距为d，竖直放置 的荧光屏距金属板右端距离为L.若在两金属板间加直流电压 U2，电子偏离中线打在荧光屏上的P点，求OP的长度. 答案　 返回目录 物理　必修　第三册 　 解析　电子在加速电场中加速，有eU1＝m， 电子在偏转电场中做类平抛运动， 在水平方向，有l＝v0t，电子的加速度a＝， 射出电场时有vy＝at， 偏转角tan θ＝＝＝， 由几何关系可知，偏移量＝tan θ， 由上述得＝. 返回目录 物理　必修　第三册 　 课后·限时作业 （建议用时：40分钟） 返回目录 物理　必修　第三册 　 制 作 者：状元桥 适用对象：高中学生 制作软件：Powerpoint2010、 Photoshop cs3 运行环境：WindowsXP以上操作系统 $$