5. 带电粒子在电场中的运动（教学课件）物理人教版2019必修第三册

该高中物理课件聚焦带电粒子在电场中的加速与偏转运动，通过医用电子直线加速器问题导入，结合动力学和能量观点复习搭建学习支架，衔接力学与电学知识脉络。 其亮点在于以科学思维（模型建构、科学推理）和科学探究（方法对比、问题讨论）为主线，通过直线加速器、示波管等实例分析运动规律，帮助学生形成运动与相互作用观念，教师可利用分层练习提升教学效率。

null天冷了。越来越冷了。天空。无话可说。快手看见每一种生活。 null90后之前的朋友们想必都使用过老式的电视机，这里就有一台已经非常老旧了让我们打开看看，出现了非常经典的雪花图像。基本原理是这样的，电子枪发射电子束，电子束经过受控的磁场后，在荧光幕上扫描出图像，这里看到的雪花图像其实是周围杂乱无章的干扰信号，被显示在屏幕上了。接下来我将用高速摄像机来为大家揭示老式电视和液晶电视之间到底有什么不同，为什么老电视比起液晶电视更伤眼睛？这是在正常普通摄像机模式下拍摄的画面。现在看看1600帧每秒下的慢放画面。所谓1600帧每秒，就是说摄像机在一秒内记录了1600张画面。接下来让我用一款经典游戏的画面来做试验。这是2500帧每秒下的画面，为了人眼能够看到每一帧，这里需要将视频慢放，可以看到画面是一行接着一行扫描出来的，没有扫到的部分则显示黑色。这是28500帧每秒下的画面，这比之前的记录的速度还要快。仔细看我们能看到每一行其实是按照一个点接着一个点从左向右扫描出来的。继续放慢画面，逐点扫描的过程将看得更加明显。接下来让我们看看液晶电视的慢放画面。这里我们看不到扫描的现象，取而代之的是画面的刷新，就像在墙上一层一层的刷油漆一样，刷新的过程中并不会出现像老电视扫描过程中的黑色部分。当然我们经常使用手机，大部分也是采用的液晶屏幕，也是同样的现象。这就是老电视与液晶电视之间的不同之处。老电视虽然看起来画面已经很流畅了，但扫描过程中毕竟还是出现了黑色部分画面其实是快速闪烁的。人眼的瞳孔在光线忽明忽暗的情况下是快速收缩放松的，这样非常疲劳，当然也就损伤眼睛。而液晶电视并没有黑色闪烁，只是画面内容的明暗交替，比起老电视情况要好得多。既然讲到这里了，后面还有更精彩的。让我们把画面放大，看看每个像素点是怎样工作的。这里看到的就是液晶屏幕的像素点，很明显每个点是由三个颜色组成，分别是红绿蓝，这被称为三基色。我们看到的五彩缤纷的颜色都是由这三个颜色按照不同的比例混合而成，三色全亮为白色，全暗则为黑色。这段视频可以非常直观的看到不同颜色下像素点对应的状态。这里是播放正常的影像时对应的像素点的状态，这里也不妨看看老电视是什么样子的，同样也是374。好了，今天就介绍到这里，感谢您的观赏。更多有趣的科普视频请关注松果云科普。 5. 带电粒子在电场中的运动 十 《第十章 静电场中的能量》 授课人： 版权所有 QQ894665727 学习目标 基本 要求 1．知道利用电场可以改变或控制带电粒子的运动。 2．知道带电粒子在电场中加速和偏转两种运动形式。 3．知道带电粒子在匀强电场中偏转运动的特点。 发展 要求 1．理解并掌握带电粒子在电场中加速运动的规律。 2．理解并掌握带电粒子在匀强电场中偏转运动的规律。 3．了解示波管的基本原理。 说明 1．示波管问题的分析与计算不涉及两个偏转电极同时加电压的情形。 2．解决带电粒子偏转运动问题只限于垂直电场方向入射且偏转电极加恒定电压的情形。 版权所有 QQ894665727 教学重点难点 教学重点：带电粒子在匀强电场中的运动规律。 教学难点：运用电学知识和力学知识综合处理带电粒子在电场中的偏转问题。 版权所有 QQ894665727 课堂引入 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。 电子在加速器中是受到什么力的作用而加速的呢？ 问题 ？ 版权所有 QQ894665727 探究新知 带电粒子在电场中的加速 1 带电粒子在电场中的偏转 2 版权所有 QQ894665727 带电粒子在电场中的加速 01 PART. 复习回顾：研究粒子运动的主要方法 动力学观点 电场力的性质 能量观点 电场能的性质 加速度 E=U/d 动能定理 W=Eqlcosθ 版权所有 QQ894665727 带电粒子在电场中的加速 情境：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， +++++++++ ------ + v0 vt 动力学方法 能量方法 议一议： 两个方法的优劣？ 如果极板间距减小为原来的一半，最终和速度是多少？（分别两种方法解释） 版权所有 QQ894665727 例题：粒子直线加速器 构建模型 版权所有 QQ894665727 例题 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？ 版权所有 QQ894665727 例题 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 版权所有 QQ894665727 带电粒子在电场中的偏转 02 PART. 带电粒子在电场中的偏转 +++++++++++++++++++++++++++++ ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- - v0 若带电粒子垂直电场射入会如何运动？ 情境：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？ 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 轨迹：类平抛运动 试一试 试一试：计算带电粒子离开电场的偏移量及速度 y v 版权所有 QQ894665727 带电粒子在电场中的偏转 +++++++++++++++++++++++++++++ ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- + v0 情境：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？ y v 运动之间： 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？ α 版权所有 QQ894665727 带电粒子在电场中的偏转 +++++++++++++++++++++++++++++ ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- + v0 情境：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？ y v 运动时间 偏移量 偏转角 α 合运动 版权所有 QQ894665727 例题 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 版权所有 QQ894665727 例题 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。 由于电子在平行于板面的方向不受力，它离开电场时，这个方向的分速度仍是v0，垂直于板面的分速度是 则离开电场时的偏转角度θ可由下式确定 代入数值后，解得 电子射出电场时沿垂直于板面方向偏移的距离是 0.35 cm，偏转的角度是 6.7°。 版权所有 QQ894665727 谢谢观看 十 授课人： 版权所有 QQ894665727 课堂小结 带电粒子在电场中加速： 带电粒子在电场中偏转： +++++++++ ------ + v0 vt +++++++++++++++++++++++++++++ ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- ----- + v0 y v α 运动时间 偏移量 偏转角 加速末速度 版权所有 QQ894665727 课堂练习 1．如图所示，两块平行金属板之间电压为，将一个带正电的粒子靠近正极板某处由静止释放，该粒子仅在电场力的作用下从负极板的小孔穿出。已知粒子电荷量为，质量为。求： (1)该过程中电场力对粒子做的功； (2)粒子穿出小孔时速度的大小。 版权所有 QQ894665727 课堂练习 版权所有 QQ894665727 课堂练习 2．如图所示，M、N为两块水平放置的平行金属板，板长为l，两板间的距离也为l，板间电压恒定。今有一质量为m、带电荷量为q的粒子（重力不计），从静止开始，经过电压为的加速电场加速后，以一定的初速度沿两板正中间垂直进入电场，最后打在距两平行板右端距离为l的竖直屏上，粒子落点距O点的距离为。求： (1)粒子从进入偏转电场到打到屏上所用的时间； (2)偏转电场的电压U。 版权所有 QQ894665727 课堂练习 版权所有 QQ894665727 课堂练习 3．如图所示，一带负电荷粒子从静止出发进入P、Q两板加速，然后从M、N两板（有理想匀强偏转电场）中心线进入并发生偏转，最后从右侧离开偏转电场。已知：加速电压U＝1000V，匀强偏转电场的电场强度E＝5×103N/C，极板MN的板长L＝6cm，带电粒子的电荷量q＝3.2×10-19C，质量m＝4×10-27kg，不计粒子的重力。求： (1)带电粒子进入偏转电场时的速度大小v0； (2)带电粒子在偏转电场时的加速度大小a和 穿过偏转电场所用时间t； (3)若带电粒子刚好从N板右端点离开，求M、N两板宽度d。 版权所有 QQ894665727 课堂练习 版权所有 QQ894665727 课后作业 1.完成教材课后“练习与应用” 2.完成《5. 带电粒子在电场中的运动（分层作业）》 版权所有 QQ894665727 拓展学习：加速+偏转 ---------------------------------------------------- ++++++++++++++++++++++++++++++++ + V0 + 两极板电势差U2，两极板间距d 2，两极板长度l2 +++++++++++++ --- --- 两极板电势差U1，两极板间距d 末速度V Vx 偏移角α x 偏移量y y 偏移量: 偏转量: 结论：偏转量和带电粒子q、m无关，只取决于加速电场和偏转电场 U1 、 U2 、d2 、l2 加速末速度 偏转时间 试一试 试一试： 根据已知条件推导结论 版权所有 QQ894665727 议一议： 1、带电粒子在电场中飞出后做什么运动？ 2、如果求最终打在屏幕上的位置？ 拓展学习：加速+偏转+打在屏幕上 ---------------------------------------------------- ++++++++++++++++++++++++++++++++ + V0 + 两极板电势差U2，两极板间距d 2，两极板长度l2 +++++++++++++ --- --- 两极板电势差U1，两极板间距d x y 间距l3 总偏移量Y 1.加速末速度： ，解得 2.偏转电场中运动时间： 3.偏转电场出来后偏移量： ，偏移角： . 4.出偏移电场后打到屏幕上总偏移量： 结论：偏转量和带电粒子q、m无关，只取决于加速电场和偏转电场. 版权所有 QQ894665727 拓展学习：示波器 示波管 版权所有 QQ894665727 拓展学习：示波管 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 版权所有 QQ894665727 拓展学习：示波管的应用 版权所有 QQ894665727 课堂练习 4．如图所示，示波器的工作原理可以简化为：金属丝K发射出的电子由静止经电压加速后，从金属板的小孔O1射出，沿O1O2进入偏转电场，经偏转电场后打在荧光屏上。偏转电场是由两个平行的相同金属极板M、N组成，已知极板的长度为，两板间的距离为d。极板间电压为，偏转电场极板的右端到荧光屏的距离为。电子电荷量大小为，质量为，不计电子受到的重力和电子之间的相互作用。求： (1)电子从小孔O1穿出时的速度大小； (2)电子离开偏转电场时速度大小； (3)电子在荧光屏上形成的亮斑到O2的距离y2。 版权所有 QQ894665727 课堂练习 版权所有 QQ894665727 课堂练习 版权所有 QQ894665727 【答案】(1) (2) 【详解】（1）该过程中电场力对粒子做的功 （2）粒子仅在电场力的作用下从负极板的小孔穿出，根据动能定理有 解得 【答案】(1) (2) 【详解】（1）在加速电场中，由动能定理 解得 然后带电粒子在水平方向做匀速直线运动，则 （2）带电粒子做类平抛运动，则 加速度为 根据几何关系有，，解得 【答案】(1) (2)； (3) 【详解】（1）带电粒子在加速电场中加速，由动能定理得，代入得 （2）带电粒子在偏转电场中运动，加速度 得加速度大小 穿过偏转电场所用时间，得 （3）带电粒子在偏转电场中做类平抛运动。沿垂直于板面方向偏移的距离 、两板宽度，解得 Lavf57.76.100 vid:3c12558191054f4eab823383e8e5589a 【答案】(1) (2) (3) 【详解】（1）电子在加速电场中，根据动能定理可得 解得 （2）电子在间做类平抛运动，沿初速度方向有 解得 沿电场方向有， 电子离开偏转电场的速度为 解得 （3）电子在偏转电场中的偏转位移为 电子离开偏转电场后做匀速直线运动，沿水平方向有 则电子打到荧光屏上的位置点到点的距离为 或 由中点推论得 $