高中二年級(jí)物理帶電流粒子在勻強(qiáng)電流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)隨堂講義

1、帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)要點(diǎn)要點(diǎn)疑點(diǎn)疑點(diǎn)考點(diǎn)考點(diǎn)課課 前前 熱熱 身身能力能力思維思維方法方法延伸延伸拓展拓展要點(diǎn)要點(diǎn)疑點(diǎn)疑點(diǎn)考點(diǎn)考點(diǎn) 帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題就是電場(chǎng)中的力學(xué)帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題就是電場(chǎng)中的力學(xué)問(wèn)題，研究方法與力學(xué)中相同問(wèn)題，研究方法與力學(xué)中相同. .只是要注意以下幾點(diǎn)：只是要注意以下幾點(diǎn)：1.1.帶電粒子受力特點(diǎn)帶電粒子受力特點(diǎn)(1)(1)重力：有些粒子重力：有些粒子( (如電子、質(zhì)子、如電子、質(zhì)子、粒子、正粒子、正負(fù)離子等負(fù)離子等) )，在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)均不考慮重力；，在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)均不考慮重力；宏觀帶電體，如液滴、小球等一般要考慮重力；

2、宏觀帶電體，如液滴、小球等一般要考慮重力；要點(diǎn)要點(diǎn)疑點(diǎn)疑點(diǎn)考點(diǎn)考點(diǎn) 未明確說(shuō)明未明確說(shuō)明“帶電粒子帶電粒子”的重力是否考慮時(shí)，可的重力是否考慮時(shí)，可用兩種方法進(jìn)行判斷：一是比較電場(chǎng)力用兩種方法進(jìn)行判斷：一是比較電場(chǎng)力qEqE與重力與重力mgmg，若若qE mgqE mg則忽略重力，反之要考慮重力；二是題中是則忽略重力，反之要考慮重力；二是題中是否有暗示否有暗示( (如涉及豎直方向如涉及豎直方向) )或結(jié)合粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、或結(jié)合粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、運(yùn)動(dòng)性質(zhì)進(jìn)行判斷運(yùn)動(dòng)性質(zhì)進(jìn)行判斷. .要點(diǎn)要點(diǎn)疑點(diǎn)疑點(diǎn)考點(diǎn)考點(diǎn)(2)(2)電場(chǎng)力：一切帶電粒子在電場(chǎng)中都要受到電場(chǎng)力電場(chǎng)力：一切帶電粒子在電場(chǎng)中都要受到電

3、場(chǎng)力F=qEF=qE，與粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)；電場(chǎng)力的大小、方向取，與粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)；電場(chǎng)力的大小、方向取決于電場(chǎng)決于電場(chǎng)(E(E的大小、方向的大小、方向) )和電荷的正負(fù)，勻強(qiáng)電場(chǎng)中和電荷的正負(fù)，勻強(qiáng)電場(chǎng)中電場(chǎng)力為恒力，非勻強(qiáng)電場(chǎng)中電場(chǎng)力為變力電場(chǎng)力為恒力，非勻強(qiáng)電場(chǎng)中電場(chǎng)力為變力. .要點(diǎn)要點(diǎn)疑點(diǎn)疑點(diǎn)考點(diǎn)考點(diǎn)2.2.帶電粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析方法帶電粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析方法 (1)(1)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)有：平衡運(yùn)動(dòng)性質(zhì)有：平衡( (靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)) )和變速運(yùn)和變速運(yùn)動(dòng)動(dòng)( (常見(jiàn)的為勻變速常見(jiàn)的為勻變速) )，運(yùn)動(dòng)軌跡有直線和曲線，運(yùn)動(dòng)軌跡有直線和曲線( (偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)).). (

4、2) (2)對(duì)于平衡問(wèn)題，結(jié)合受力圖根據(jù)共點(diǎn)力的平衡條件對(duì)于平衡問(wèn)題，結(jié)合受力圖根據(jù)共點(diǎn)力的平衡條件可求解可求解. .要點(diǎn)要點(diǎn)疑點(diǎn)疑點(diǎn)考點(diǎn)考點(diǎn) 對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)問(wèn)題可用勻變速直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)公對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)問(wèn)題可用勻變速直線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和牛頓第二定律、動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律求解，式和牛頓第二定律、動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律求解，對(duì)于勻變速曲線運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，可考慮將其分解為兩個(gè)方對(duì)于勻變速曲線運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，可考慮將其分解為兩個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)有關(guān)量進(jìn)行分解、合成來(lái)求解向的直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)有關(guān)量進(jìn)行分解、合成來(lái)求解. .無(wú)論無(wú)論哪一類運(yùn)動(dòng)，都可以從功和能的角度用動(dòng)能定理或能哪一類運(yùn)動(dòng)，都可以從功和能的角度用動(dòng)能定

5、理或能的轉(zhuǎn)化與守恒定律來(lái)求解，其中電場(chǎng)力做功除一般計(jì)的轉(zhuǎn)化與守恒定律來(lái)求解，其中電場(chǎng)力做功除一般計(jì)算功的公式外，還有算功的公式外，還有W=qUW=qU可用，這一公式對(duì)勻強(qiáng)和非可用，這一公式對(duì)勻強(qiáng)和非勻強(qiáng)電場(chǎng)都適用，而且與運(yùn)動(dòng)路線無(wú)關(guān)勻強(qiáng)電場(chǎng)都適用，而且與運(yùn)動(dòng)路線無(wú)關(guān). .課課 前前 熱熱 身身1.1.判斷粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的根據(jù)是什么判斷粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的根據(jù)是什么? ?若只受若只受電場(chǎng)力作用，帶電粒子垂直于電場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)屬電場(chǎng)力作用，帶電粒子垂直于電場(chǎng)方向進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)屬于什么性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)于什么性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)? ?【答案答案】判斷運(yùn)動(dòng)軌跡是否為直線，是根據(jù)合力方向判斷運(yùn)動(dòng)軌跡是否

6、為直線，是根據(jù)合力方向與初速方向是否共線；判斷粒子是否為勻變速運(yùn)動(dòng)，與初速方向是否共線；判斷粒子是否為勻變速運(yùn)動(dòng)，是根據(jù)粒子受合力是否恒定；屬于勻變速曲線是根據(jù)粒子受合力是否恒定；屬于勻變速曲線( (拋物線拋物線) )運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng). .課課 前前 熱熱 身身 2. 2.動(dòng)能定理內(nèi)容是什么動(dòng)能定理內(nèi)容是什么? ?粒子帶電粒子帶電q q，在電勢(shì)差為，在電勢(shì)差為U U的兩的兩點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)時(shí)速度由點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)時(shí)速度由v v0 0變?yōu)樽優(yōu)関 v，列出的動(dòng)能定理方程是什，列出的動(dòng)能定理方程是什么么?(?(不考慮其他力做功不考慮其他力做功) )這里要不要考慮電勢(shì)能的變化這里要不要考慮電勢(shì)能的變化? ?【答案答案】所

7、有力對(duì)物體做功的總和等于物體動(dòng)能的增加所有力對(duì)物體做功的總和等于物體動(dòng)能的增加 qU=1/2mvqU=1/2mv2 2-1/2mv-1/2mv0 02 2 電場(chǎng)力做功和電勢(shì)能的變化不可同時(shí)考慮電場(chǎng)力做功和電勢(shì)能的變化不可同時(shí)考慮. .能力能力思維思維方法方法【例例1 1】在圖在圖9-4-1(a)9-4-1(a)中，虛線表示真空里一點(diǎn)電荷中，虛線表示真空里一點(diǎn)電荷Q Q的電場(chǎng)中的兩個(gè)等勢(shì)面，實(shí)線表示一個(gè)帶負(fù)電的電場(chǎng)中的兩個(gè)等勢(shì)面，實(shí)線表示一個(gè)帶負(fù)電q q的粒子的粒子運(yùn)動(dòng)的路徑，不考慮粒子的重力，請(qǐng)判定運(yùn)動(dòng)的路徑，不考慮粒子的重力，請(qǐng)判定圖圖9-4-19-4-1能力能力思維思維方法方法(1)Q(1

8、)Q是什么電荷是什么電荷. .(2)ABC(2)ABC三點(diǎn)電勢(shì)的大小關(guān)系三點(diǎn)電勢(shì)的大小關(guān)系. .(3)ABC(3)ABC三點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的大小關(guān)系三點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的大小關(guān)系. .(4)(4)該粒子在該粒子在ABCABC三點(diǎn)動(dòng)能的大小關(guān)系三點(diǎn)動(dòng)能的大小關(guān)系. .能力能力思維思維方法方法【解析解析】(1)(1)設(shè)粒子在設(shè)粒子在A A點(diǎn)射入，則點(diǎn)射入，則A A點(diǎn)的軌跡切線方向就是粒子點(diǎn)的軌跡切線方向就是粒子q q的初的初速速v v0 0的方向，由于粒子的方向，由于粒子q q向遠(yuǎn)離向遠(yuǎn)離Q Q的的方向偏轉(zhuǎn)，因此粒子方向偏轉(zhuǎn)，因此粒子q q受到受到Q Q的作用的作用力是排斥力，如圖力是排斥力，如圖9-4-1(b)9-4

9、-1(b)所示所示, ,故故Q Q與與q q的電性相同，即的電性相同，即Q Q帶負(fù)電帶負(fù)電. .圖圖9-4-19-4-1能力能力思維思維方法方法(2)(2)因負(fù)電荷因負(fù)電荷Q Q的電場(chǎng)線是由無(wú)窮遠(yuǎn)指向的電場(chǎng)線是由無(wú)窮遠(yuǎn)指向Q Q的，因此的，因此 A A= = C C B B(3)(3)由電場(chǎng)線的疏密分布得由電場(chǎng)線的疏密分布得E E A A =E =EC CE EB B(4)(4)因粒子從因粒子從ABAB電場(chǎng)力做負(fù)功，由動(dòng)能定理可知電場(chǎng)力做負(fù)功，由動(dòng)能定理可知E EkBkBE Ek kA A ；因；因 A A = = C C由由W WACAC=qU=qUACAC知知W WACAC=0=0，因此由

10、動(dòng)能，因此由動(dòng)能定理得定理得E EkAkA=EkC=EkC故故E EkAkA=E=EkCkCE EkBkB. .能力能力思維思維方法方法【例例2 2】如圖如圖9-4-29-4-2所示，電子在電勢(shì)差為所示，電子在電勢(shì)差為U U1 1的加速電場(chǎng)中由的加速電場(chǎng)中由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，然后射入電勢(shì)差為靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，然后射入電勢(shì)差為U U2 2的兩塊平行極板間的電的兩塊平行極板間的電場(chǎng)中，在滿足電子能射出平行板區(qū)的條件下，下述四種情場(chǎng)中，在滿足電子能射出平行板區(qū)的條件下，下述四種情況下一定能使電子的偏轉(zhuǎn)角況下一定能使電子的偏轉(zhuǎn)角變大的是變大的是(B)(B) A.U A.U1 1變大、變大、U U2 2變大變大

11、 B.UB.U1 1變小、變小、U U2 2變大變大 C.UC.U1 1變大、變大、U U2 2變小變小 D.UD.U1 1變小、變小、U U2 2變小變小能力能力思維思維方法方法【解析解析】設(shè)電子被加速后獲得初速為設(shè)電子被加速后獲得初速為v0v0，則由動(dòng)能定，則由動(dòng)能定理得：理得： U U1 1q=1/2mvq=1/2mv2 20 0 又設(shè)極板長(zhǎng)為又設(shè)極板長(zhǎng)為l l，則電子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)所用時(shí)間，則電子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)所用時(shí)間 t=l/vt=l/v0 0 又設(shè)電子在平行板間受電場(chǎng)力作用產(chǎn)生加速度為又設(shè)電子在平行板間受電場(chǎng)力作用產(chǎn)生加速度為a a，由牛頓第二定律得由牛頓第二定律得 a=Ea=E2 2

12、q/m=Uq/m=U2 2q/(dm)q/(dm)能力能力思維思維方法方法電子射出偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)，平行于電場(chǎng)方向的速度電子射出偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)，平行于電場(chǎng)方向的速度 v vy y=a=at t由、可得由、可得 v vy y=U=U2 2q ql/(dmvl/(dmv0 0) )又又tantan = =v vy y/v/v0 0=U=U2 2ql/(dmvql/(dmv0 02 2) ) =U =U2 2ql/2dqql/2dqU U1 1=U=U2 2l/(2dUl/(2dU1 1) ) 故故U U2 2變大或變大或U U1 1變小都可能使偏轉(zhuǎn)角變大，故選項(xiàng)變小都可能使偏轉(zhuǎn)角變大，故選項(xiàng)B B正正確確.

13、 .能力能力思維思維方法方法【解題回顧解題回顧】帶電粒子垂直進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)做勻變速帶電粒子垂直進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)做勻變速曲線運(yùn)動(dòng)，分解為兩個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)，分別用曲線運(yùn)動(dòng)，分解為兩個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)，分別用公式分析、求解運(yùn)算，是這類問(wèn)題的最基本解法公式分析、求解運(yùn)算，是這類問(wèn)題的最基本解法. .能力能力思維思維方法方法【例例4 4】圖圖9-4-69-4-6中，一個(gè)質(zhì)量為中，一個(gè)質(zhì)量為m m，電量為，電量為-q-q的小物體，的小物體，可在水平軌道可在水平軌道x x上運(yùn)動(dòng)，上運(yùn)動(dòng)，O O端有一與軌道垂直的固定墻端有一與軌道垂直的固定墻. .軌軌道處在場(chǎng)強(qiáng)大小為道處在場(chǎng)強(qiáng)大小為E E，方向沿，方向沿OxOx軸正向

14、的勻強(qiáng)電場(chǎng)中，小軸正向的勻強(qiáng)電場(chǎng)中，小物體以初速度物體以初速度v v0 0從從x x0 0點(diǎn)沿點(diǎn)沿OxOx軌道運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)中受到大小不軌道運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)中受到大小不變的摩擦力變的摩擦力f f作用，且作用，且f fqEqE小物體與墻碰撞時(shí)不損失機(jī)小物體與墻碰撞時(shí)不損失機(jī)械能，求它在停止前所通過(guò)的總路程械能，求它在停止前所通過(guò)的總路程. .能力能力思維思維方法方法【解析解析】首先要認(rèn)真分析小物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，建立物理首先要認(rèn)真分析小物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，建立物理圖景圖景. .開(kāi)始時(shí)，設(shè)物體從開(kāi)始時(shí)，設(shè)物體從x x0 0點(diǎn)以點(diǎn)以v v0 0向右運(yùn)動(dòng)，它受到四向右運(yùn)動(dòng)，它受到四個(gè)力的作用，除重力和支持力平衡外，還有

15、向左的電場(chǎng)個(gè)力的作用，除重力和支持力平衡外，還有向左的電場(chǎng)力力qEqE和摩擦力和摩擦力f f，因此物體向右做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，直，因此物體向右做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，直到停止到停止. .然后，物體受向左的電場(chǎng)力和向右的摩擦力作然后，物體受向左的電場(chǎng)力和向右的摩擦力作用，因?yàn)橛?，因?yàn)閝EqEf f，合力向左，物體向左做初速為，合力向左，物體向左做初速為0 0的勻加的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，直到以一定速度與墻碰撞速直線運(yùn)動(dòng)，直到以一定速度與墻碰撞. .碰后物體的速碰后物體的速度與碰前速度大小相等，方向相反度與碰前速度大小相等，方向相反. .再然后物體將多次再然后物體將多次重復(fù)以上過(guò)程重復(fù)以上過(guò)程. .能力能力思維

16、思維方法方法 由于摩擦力總是做負(fù)功，物體機(jī)械能不斷損失，所以由于摩擦力總是做負(fù)功，物體機(jī)械能不斷損失，所以物體通過(guò)同一位置時(shí)的速度將不斷減小，直到最后停止物體通過(guò)同一位置時(shí)的速度將不斷減小，直到最后停止運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng). .物體停止時(shí)，必須滿足兩個(gè)條件：速度為物體停止時(shí)，必須滿足兩個(gè)條件：速度為0 0和物體和物體所受合力為所受合力為0 0，物體只有停在，物體只有停在O O點(diǎn)才能滿足以上條件點(diǎn)才能滿足以上條件. .能力能力思維思維方法方法 因?yàn)殡妶?chǎng)力的功只跟起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置有關(guān)，而跟路因?yàn)殡妶?chǎng)力的功只跟起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置有關(guān)，而跟路徑無(wú)關(guān)，所以整個(gè)過(guò)程中電場(chǎng)力做功徑無(wú)關(guān)，所以整個(gè)過(guò)程中電場(chǎng)力做功W W

17、E E=qEx=qEx0 0根據(jù)動(dòng)能定理根據(jù)動(dòng)能定理W W總總= =E Ek k，得：，得： qExqEx0 0-fs=0-mv-fs=0-mv2 20 0/2/2，所以，所以s=(2qExs=(2qEx0 0+mv+mv0 02 2)/2f)/2f 或用能量守恒列式：電勢(shì)能減少了或用能量守恒列式：電勢(shì)能減少了qExqEx0 0，動(dòng)能減少了，動(dòng)能減少了mvmv0 02 2/2/2，內(nèi)能增加了，內(nèi)能增加了fs.fs. 則則fs=qExfs=qEx0 0+mv+mv0 02 2/2/2，s=(2qExs=(2qEx0 0+mv+mv0 02 2)/2f)/2f延伸延伸拓展拓展【例例6 6】滾筒式靜

18、電分選器由料滾筒式靜電分選器由料斗斗A A、導(dǎo)板、導(dǎo)板B B、導(dǎo)體滾筒、導(dǎo)體滾筒C C、刮板、刮板D D、料槽料槽E E、F F和放電針和放電針G G等部件組等部件組成成.C.C及及G G分別接于直流高壓電源分別接于直流高壓電源的正、負(fù)極，并令的正、負(fù)極，并令C C接地，如圖接地，如圖9-4-89-4-8所示，電源電壓很高，足所示，電源電壓很高，足以使放電針以使放電針G G附近的空氣發(fā)生電附近的空氣發(fā)生電離而產(chǎn)生大量離子離而產(chǎn)生大量離子. .圖圖9-4-89-4-8延伸延伸拓展拓展 現(xiàn)有導(dǎo)電性能不同的兩種物質(zhì)粉?，F(xiàn)有導(dǎo)電性能不同的兩種物質(zhì)粉粒a a、b b的混合物從料斗的混合物從料斗A A下下

19、落，沿導(dǎo)板落，沿導(dǎo)板B B到達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)著的滾筒到達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)著的滾筒C C，粉粒，粉粒a a具有良好的導(dǎo)電性，具有良好的導(dǎo)電性，粉料粉料b b具有良好的絕緣性具有良好的絕緣性. . (1) (1)試說(shuō)明分選器的主要工作原理，即它是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)不同試說(shuō)明分選器的主要工作原理，即它是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)不同粉料粉料a a、b b進(jìn)行分選的進(jìn)行分選的. . (2) (2)粉粒粉粒a a、b b經(jīng)分選后分別掉落在哪個(gè)料槽中經(jīng)分選后分別掉落在哪個(gè)料槽中? ? (3) (3)刮板刮板D D的作用是什么的作用是什么? ? (4) (4)若讓放電針若讓放電針G G接地而滾筒接地而滾筒C C不接地，再在不接地，再在C C與與G G間

20、接上高壓間接上高壓電，這樣連接是否允許電，這樣連接是否允許? ?為什么為什么? ?延伸延伸拓展拓展【解析解析】(1)(1)放電針附近的空氣，受高壓電場(chǎng)作用而電放電針附近的空氣，受高壓電場(chǎng)作用而電離，電離出的的正離子被吸引到負(fù)極離，電離出的的正離子被吸引到負(fù)極G G上而中和掉上而中和掉. .大大量的電子或負(fù)離子在電場(chǎng)力作用下，向正極量的電子或負(fù)離子在電場(chǎng)力作用下，向正極C C運(yùn)動(dòng)的過(guò)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中被噴附在粉粒程中被噴附在粉粒a a、b b上，使上，使a a、b b帶負(fù)電帶負(fù)電. .帶負(fù)電的物帶負(fù)電的物質(zhì)粉粒質(zhì)粉粒a a，因具有良好導(dǎo)電性，所以在與帶正電的滾筒，因具有良好導(dǎo)電性，所以在與帶正電的滾筒C C接觸后，其上的負(fù)電被接觸后，其上的負(fù)電被C C上的正電中和后并帶上正電上的正電中和后并帶上正電. .帶了正電的粉粒帶了正電的粉粒a a一方面隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面受到一方面隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面受到C C上上正電的靜電斥力而離開(kāi)滾筒，最后落于料槽正電的靜電斥力而離開(kāi)滾筒，最后落于料槽F.F.延伸延伸拓展拓展 絕緣性能良好的粉粒絕緣