10.5.1 带电粒子在电场中的运动 课件-2025-2026学年高二上学期物理人教版必修第三册

该高中物理课件聚焦带电粒子在电场中的加速、偏转及示波管应用，通过原子物理、医学等实际问题导入，复习电场力、电场强度等公式搭建支架，衔接静电场能量知识脉络。 其亮点在于融合物理观念（力与能量分析加速）、科学思维（类平抛模型建构偏转推论），通过两种解法推导加速速度、非匀强电场动能定理应用等例题，结合示波管原理培养科学推理与论证能力，助力学生建立物理模型，教师使用可提升教学系统性与学生应用能力。

第十章　静电场中的能量 10.5.1带电粒子在电场中的运动 电场力： 电场强度： 电场力做功： 电势能： 电势： 电势差： 复习巩固 问题引入：为什么研究带电粒子的加速问题？ 在原子物理、核物理领域，带电粒子被加速成高能粒子，轰击原子、原子核，帮助人类认识物质微观结构。 北京正负电子对撞机 在医学领域，带电粒子被加速后，轰击金属靶，产生的射线，用于放射治疗。 导入新知 3 1.能从力和能量的角度分析带电粒子在电场中的加速问题(重点)。 2.能运用类平抛运动的分析方法研究带电粒子在电场中的偏转问题(重难点)。 素养目标 1.带电粒子的分类及受力特点 研究电子、质子、α粒子在电场中的运动时，重力能否忽略不计？质量较大的微粒，如带电小球、带电油滴、带电颗粒呢？ （1）电子、质子、α粒子、离子等基本粒子，在电场中所受静电力远大于重力，一般都不考虑重力。 （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。 计算：已知电子的质量为m＝9.1×10－31 kg，电荷量为e＝1.6×10－19 C，若极板电压U＝200 V，板间距离为d＝2 cm，则电子的重力与所受静电力的比值为　　　　　(g取10 m/s2，结果保留一位有效数字)，通过以上数据可知，在研究电子运动的过程中　　　　(选填“需要”或“不需要”)考虑重力。 6×10－15 不需要 一、带电粒子在电场中的加速 （1）受力分析： （2）运动分析： 初速度为零，加速度为 的向右匀加速直线运动。 水平向右的电场力 A B U d E + F v 情境创设：如图，一个质量为m、带正电荷q的粒子，只在静电力的作用下由静止开始，从正极板A向负极板B运动。请计算粒子到达负极板时的速度 2.带电粒子在匀强电场中加速 一、带电粒子在电场中的加速 解法一　运用运动学知识求解 发现粒子加速后的速度只与加速电压有关 解法二　运用动能定理知识求解 （3）基本方法 一、带电粒子在电场中的加速 思考：若两极板间不是匀强电场，该用什么方法求解？ 若粒子的初速度为零，则: 若粒子的初速度不为零，则: 由于电场力做功与场强是否是匀强的无关，与运动路径也无关，所以在处理电场对带电粒子的加速问题时，运用动能定理进行处理。 3.带电粒子在非匀强电场中加速 一、带电粒子在电场中的加速 1、如图所示，炽热的金属丝可以发射电子。在金属板P、Q间加电压U，发射出的电子在真空中加速后，从金属板的小孔穿出。设电子刚离开金属丝时的速度为零，电子质量为m、电荷量大小为e。 (1)电子在P、Q间做什么运动？ 匀加速直线运动 (2)求电子到达正极板时的速度大小(尝试用动力学方法和动能定理两种方法求解，结果用字母表示)。 方法一：运用动力学方法求解 电子受到的静电力 F＝eE＝ 加速度a＝ 由v2＝2ad＝2得v＝ 方法二：由动能定理有eU＝mv2 得v＝。 例题精选 拓展1　(1)若保持P、Q间电压不变，增大P、Q两板间的距离，电子到达极板时所用的时间　　　　(填“变长”“不变”或“变短”)，电子到达Q板的速率　　　　(填“增大”“减小”或“不变”)。  变长 不变 解：极板间的电压U不变，由E＝可知，两板间距离d越大，电场强度E越小，静电力F＝Ee越小，加速度越小，加速时间变长，由eU＝mv2得v＝，则电子到达Q板时的速率与两板间距离无关，仅与板间电压有关，电子到达Q板的速率将不变。 (2)如何增大电子到达Q板的速率？ 例题精选 拓展2　若粒子的初速度v0≠0，电子到达Q板的速率为　　　　　　。  由动能定理可得eU＝mv2－m，解得v＝。 拓展3　如图所示，若Q板为其他形状，两极板间不是匀强电场，该用何种方法求解。 如果是非匀强电场，电子将做变加速运动，动力学方法不可用；静电力做功仍然可以用W＝eU求解，动能定理仍然可行。 例题精选 2、(来自教科教材)如图所示，从电子枪O逸出的电子，初速度可以认为是零，电子通过小孔A、B，最终打在C板上。 (1)描述电子在OA间、AB间、BC间的运动情况； 解：电子在OA间在静电力的作用下做匀加速直线运动，AB间无电场，做匀速直线运动，在BC间受到的静电力与运动方向相反，做匀减速直线运动。 (2)电子通过小孔A、B时的动能分别是多少电子伏？电子打在C板上时的动能是多少电子伏？ 解：AB间无电场，做匀速直线运动，电子通过小孔A、B时的动能相等，根据动能定理－eUOA＝EkAB 解得EkAB＝45 eV 由B到C，根据动能定理得－eUBC＝EkC－EkAB 解得EkC＝15 eV。 例题精选 情景问题：如图，一带电粒子以垂直匀强电场的场强方向以初速度v0 射入电场，若不计粒子的重力，带电粒子将做什么运动？ 1.受力分析： 仅受竖直向下的电场力 做类平抛运动 2.运动分析： v0 q、m L d - - - - - - - - - - + + + + + + + + + U + + 垂直电场方向：匀速直线运动 沿电场方向：初速度为零的匀加速直线运动 两分析及规律应用 二、带电粒子在电场中的偏转 L d - - - - - - - - + + + + + + + + + U v0 q、m + + vy θ v v0 y 1.飞行时间： 2.加速度： 3.竖直分速度： 4.竖直分位移： 5.速度偏转角： （2）过程分析 如图所示，设粒子不与平行板相撞 二、带电粒子在电场中的偏转 加速度 速度 位移 平行方向 垂直方向 L d - - - - - - - - + + + + + + + + + U v0 q、m + + vy θ v v0 y （2）过程分析 二、带电粒子在电场中的偏转 加速度 速度 位移 平行方向 垂直方向 （3）三个推论 推论2：粒子做类平抛运动，从偏转电场中射出，其速度的反向延长线过水平位移的中点。 推论1：位移方向与初速度方向间夹角的正切值为速度偏转角正切值的，tanθ 二、带电粒子在电场中的偏转 1.初速度相同的带电粒子，无论m、q是否相同，只要q/m相同，则偏转距离y和偏转角度θ都相同。(即轨迹重合) 当偏转电场的U、L、d一定 L d - - - - - - - + + + + + + + U v0 q、m + + vy θ v v0 y 2.初动能相同的带电粒子，只要q相同，无论 m 是否相同，则偏转距离y和偏转角度θ都相同。 (即轨迹重合) 推论三： 二、带电粒子在电场中的偏转 一束电子流在经U＝5000V的加速电压加速后，在距两极板等距离处垂直进入平行板间的匀强电场，如图所示。若两水平板间距d＝1.0 cm，板长l＝5.0 cm，那么要使电子能从平行板间飞出，则两个水平极板上最大电压是多少？ 进入偏转电场，电子在平行于板面的方向上做匀速运动 ② 解:加速过程，由动能定理得 ① 偏转距离 ④ 能飞出的条件为 ⑤ 联立①~⑤式解得 即要使电子能飞出，所加电压最大为400V。 ③ 在垂直于板面的方向做匀加速直线运动 ，加速度 例题精选 d L/2 y v0 -q v v0 v⊥ + + + + + + - - - - - L Y X U 荧光屏 光斑 U0 若粒子是从静止经过电场加速电压U1加速后进入偏转电场U2发生侧移y；离开电场后，打在荧光屏上形成光斑，光斑距荧光屏中心的距离Y。请结合前面结论，推出y与Y的表达式。 - θ θ 问题拓展：带电粒子的屏幕落点 二、带电粒子在电场中的偏转 d L/2 y v0 -q v v0 v⊥ θ θ + + + + + + - - - - - L Y X U2 荧光屏 光斑 U1 - 模型构建： 二、带电粒子在电场中的偏转 示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。示波器的核心部件是示波管。 在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。 三、示波管 示波管 三、示波管 1.构造：示波管主要是由电子枪、偏转电极(XX'和YY')、荧光屏组成，管内抽成真空(如图)。 三、示波管 2.作用 (1)电子枪的作用是产生高速飞行的一束电子。 (2)示波管的XX'偏转电极通常接入仪器自身产生的锯齿形电压(图甲)，叫作扫描电压。 YY'偏转电极上加的是待测的信号电压(图乙)。 (3)荧光屏的作用是显示电子的偏转情况。 三、示波管 - + Y Y′ X X′ Y Y’ X X’ 电子枪 偏转电极 荧光屏 3、示波管示波原理 在YY′之间不加电压，而在XX′之间加不变的电压（使X电势比X′高）。 三、示波管 25 在YY′之间不加电压，而在XX′之间加不变的电压（使X′电势比X高）。 - + Y Y′ X X′ Y Y’ X X’ 电子枪 偏转电极 荧光屏 三、示波管 若XX′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——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。 示波器图像 X′ X Y Y′ 扫描电压 O UX t X=kUX 三、示波管 - + Y Y′ X X′ Y Y′ X X′ 电子枪 偏转电极 荧光屏 在 XX′之间不加电压，而在 YY′之间加不变的电压（使Y电势比Y′高）。 三、示波管 在 XX′之间不加电压，而在 YY′之间加不变的电压（使Y′电势比Y高）。 电子枪 偏转电极 荧光屏 - + Y Y′ X X′ Y Y′ X X′ 三、示波管 如果在 XX′之间不加电压，而在 YY′之间加按图示的规律变化的电压，Y′ 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，在荧光屏会看到一条竖直的亮线。 X′ X Y Y′ UY t O Y=kUY 三、示波管 如果在 YY′之间加如图所示的交变电压，同时在 XX′之间加锯齿形扫描电压，请应用五点作图法作出图像。 A B C t1 D t2 X′ X Y Y′ A B C D F t O UY UX O t A B C D E E F t2 t1 t2 t1 O 三、示波管 如果信号电压是周期性的，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。 示波器图像 UY t O UX O t X′ X Y Y′ 三、示波管 (1)如果在偏转电极XX'之间和偏转电极YY'之间都没有加电压，电子束从电子枪射出后打在荧光屏上的哪个位置？在图甲中标出来。 (2)①如果仅在XX'之间加上扫描电压，荧光屏上会看到什么样的亮线？在图乙中标出来。 例题精选 ③如果同时在XX'、YY'之间加上扫描电压和正弦式信号电压，荧光屏上会看到什么样的亮线？在图丁中标出来。 ②如果仅在YY'之间加上正弦式信号电压，荧光屏上会看到什么样的亮线？在图丙中标出来。 例题精选 A 加速 B 偏转 C 示波 管 A B U d E + F v0 Lavf58.29.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $