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

null10.5 带电粒子在电场中的运动 教师： 日期： 月 日 物理雾里悟理 3、某些带电体是否考虑重力，要根据题目暗示或运动状态来判定 电场中的带电粒子一般可分为两类： 1、带电的基本粒子：如电子，质子，α粒子，正负离子等。这些粒子所受重力和电场力相比小得多，除非有说明或明确的暗示以外，一般都不考虑重力。（但并不能忽略质量）。 2、带电微粒：如带电小球、液滴、尘埃等。除非有说明或明确的暗示以外，一般都考虑重力。 带电粒子在匀强电场中 运动情况： 受到恒定的电场力 受力情况： 做匀变速运动 物理雾里悟理 新课引入 电子在加速器中是受到什么力的作用 而加速的呢？ 电子被加速器加速后轰击重金属靶时，会产生射线，可用于放射治疗。 图中展示了一台医用电子直线加速器。 物理雾里悟理 一、带电粒子在电场中的加速（加速电场） +++++++++ ------ + v0 vt 站立式讨论：已知电极板电压U，间距d，带电粒子带正电，质量为m，电荷量为q，初速度为0，求末速度vt， 方案二 （能量观点）： 方案一 （动力学观点）： 物理雾里悟理 你能行！！ 1、如图所示，在真空中，有一对平行金属板，由于接到电池组上而带电。两极板间的电势差为U。如果一个质量为m带正电荷q的粒子， 仅在静电力的作用下， 从负极板运动到正极板。问： (1)从负极板出发时，至少要有多大的初速度才能到达正极板? (2)保持第一问求出的速度， 若将两极板之间的距离增大， 请问该粒子还能不能到达正极板， 并说明理由 物理雾里悟理 思考：如图多级平行板连接，能否加速粒子？ U ＋ ＋ ＋ － － － A B C D E F 怎么办 ？ 多级直线加速器 物理雾里悟理 多级直线加速器示意图 U ~ ＋ － 因交变电压的变化周期相同，故粒子在每个圆筒中的运动时间相等。 U 0 u0 -u0 t T 2T t 多级直线加速器 物理雾里悟理 课本例题1 如图10.5-1甲，某装置由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？ 物理雾里悟理 解：设电子进入第 n 个圆筒后的速度为v，根据动能定理有 得 第n个圆筒的长度为 圆筒长度跟圆筒序的平方根 成正比， 第 n 个圆筒的长度是 课本例题1 物理雾里悟理 二、带电粒子在电场中的偏转（偏转电场） ------------------------------------------------------------------------------------- ++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ + V0 试一试：已知电极板电压U，间距d，长为L，带电粒子带正电，质量为m，忽略带电粒子的重力，电荷量为q，初速度为v0，垂直电场线方向射入电场，试分析电荷做什么运动？ + 运动模型：类平抛运动 受力分析： 垂直电场线方向→Fx合=0→匀速直线运动 沿着电场线方向→Fy合=0→从静止开始的匀加速直线运动 物理雾里悟理 L d - - - - - - - - + + + + + + + + + U v0 q、m + + vy α v v0 y 二、带电粒子在电场中的偏转（偏转电场） 运动时间： 偏移量： 偏移角度： 若粒子未能飞出两极板，则运动时间又是多少？ 物理雾里悟理 2、如图，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200 V。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。 解：电子在电场中运动的加速度是 （1） 电子射出电场时，在垂直于板面方向偏移的距离为 （2） 其中t为飞行时间。由于电子在平行于板面的方向不受力，所以在这个方向做匀速直线运动，由l＝ v0t可求得 （3） 把（1）（3）式代入（2）式得到 代入数值后，解得 即电子射出时沿垂直于板面的方向偏离 0.35 cm 你能行！！ 物理雾里悟理 三、带电粒子在电场中的加速和偏转 物理雾里悟理 3、如图所示，一个电子由静止开始经加速电场加速后，又沿偏转电场极板间的中心轴线从O点垂直射入，并从另一侧射出打到荧光屏上的P点，O′点为荧光屏的中心。已知电子质量m、电荷量e、加速电场电压U0、偏转电场电压U、极板的长度L1、板间距离d、极板的末端到荧光屏的距离为L2且L2=L1/2 (忽略电子所受重力)。求： (1)电子射入偏转电场时的初速度v0； (2)电子打在荧光屏上的P点到O′点的距离h； (3)为确保电子能从偏转电场射出，偏转电压U和加速电压U0的比值应满足什么要求。 你能行！！ 物理雾里悟理 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 两种偏转电场放置方式 拓展学习：示波器 物理雾里悟理 拓展学习：示波管的原理 加速电场：产生高速飞行的电子束 待显示的信号电压 锯齿形 扫描电压 使电子沿 Y方向偏移 使电子沿 x方向偏移 物理雾里悟理 思考与讨论1：如果在电极 XXˊ 之间不加电压，而在 YYˊ 之间也不加电压，电子将打在荧光屏的什么位置？ - + Xˊ Xˊ X X Y Yˊ Yˊ Y 电子枪 偏转电极 荧光屏 站立式讨论： 物理雾里悟理 思考与讨论2：如果在电极 XXˊ 之间不加电压，而在 YYˊ 之间加不变电压，使Y 的电势比 Yˊ 高，电子将打在荧光屏的什么位置？ - + Xˊ Xˊ X X Y Yˊ Yˊ Y 电子枪 偏转电极 荧光屏 站立式讨论： 物理雾里悟理 思考与讨论3：如果在电极 XXˊ 之间不加电压，而在 YYˊ 之间加不变电压，使 Y ˊ 的电势比Y 高，电子将打在荧光屏的什么位置？ - + Xˊ Xˊ X X Y Yˊ Yˊ Y 电子枪 偏转电极 荧光屏 站立式讨论： 物理雾里悟理 思考与讨论4：如果在 XXˊ 之间不加电压，而在 YYˊ 之间加按图示的规律变化的电压，在荧光屏会看到的什么样的图形？ Xˊ X Y Yˊ UY t O Yˊ 随信号电压同步变化，但由于视觉暂留和荧光物质的残光特性，只能看到一条竖直的亮线。 站立式讨论： 物理雾里悟理 - + Xˊ Xˊ X X Y Yˊ Yˊ Y 电子枪 偏转电极 荧光屏 思考与讨论5：如果在电极 YYˊ 之间不加电压，而在 XXˊ 之间加不变电压，使 X 的电势比 Xˊ 高，电子将打在荧光屏的什么位置？ 站立式讨论： 物理雾里悟理 - + Xˊ Xˊ X X Y Yˊ Yˊ Y 电子枪 偏转电极 荧光屏 思考与讨论6：如果在电极 YYˊ 之间不加电压，而在 XXˊ 之间加不变电压，使 X ˊ 的电势比 X 高，电子将打在荧光屏的什么位置？ 站立式讨论： 物理雾里悟理 UX t 扫描电压 思考与讨论7：若 XXˊ 所加的电压为特定的周期性变化电压，则亮斑在水平方向来回运动一一扫描，如果扫描电压变化很快，亮斑看起来为一条水平的亮线。 示波器图象 O Xˊ X Y Yˊ 站立式讨论： 物理雾里悟理 思考与讨论8：如果在 YYˊ 之间加如图所示的交变电压，同时在 XXˊ 之间加锯齿形扫描电压，在荧光屏上会看到什么图形？ A B C D F A B C t1 D E F t2 Xˊ X Y Yˊ t O UY UX O t A B C D E E F t2 t1 t2 t1 站立式讨论： 物理雾里悟理 如果信号电压是周期性的，并且扫描电压与信号电压的周期相同，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象。 示波器图象 t O UY UX O t Xˊ X Y Yˊ 小结： 物理雾里悟理 A 加速 B 偏转 C 示波 管 A B U d E + F v0 课堂总结 物理雾里悟理 Lavf59.23.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 带电粒子能否飞出偏转电场，关键看带电粒子在电场中的侧移量y.如质量为m、电荷量为q的带电粒子沿中线以v0垂直射入板长为l、板间距为d的匀强电场中，要使粒子飞出电场， 则应满足t＝eq \f(l,v0) 时，y≤eq \f(d,2)， 若t＝eq \f(l,v0)时，y>eq \f(d,2)，则粒子 打在板上，不能飞出电场。 $$nullnullnull用阴极射线管演示带电粒子在电场中的偏转。这是阴极射线管加上高电压，电子束从阴极射向阳极。在阳极上有一狭缝，射线只能从狭缝中通过，沿直线前进。在射线经过的路径上，靠近狭缝处上下方还设有一对电极，称为偏转极板。加上正下负的偏转电压，电子束将向上方偏转。加上负下正的偏转电压，电子束将向下方偏转。这是阴极射线管的原理图。电子束通过阳极中心的孔隙射出，沿直线前进，在偏转极板上加上正下负的电压，电子数向上偏转，反之加上负下正的电压，电子数向下偏转。 null