帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的運(yùn)動(dòng)

1、九、帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的運(yùn)動(dòng)教學(xué)目的知道利用勻強(qiáng)電場可以使帶電粒子加速和偏轉(zhuǎn)，了解本節(jié)知識(shí)在 實(shí)際中的應(yīng)用.掌握分析和解決帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)問題的思路和方法.了解示波管的構(gòu)造和基本原理.教具實(shí)物投影儀（或幻燈片）；投影片：平拋運(yùn)動(dòng)速度、位移分解圖，示 波管原理圖；由砂擺得出簡諧運(yùn)動(dòng)位移一時(shí)間圖象裝置圖；電子束演示 儀、示波器、示波管、訊號(hào)源、220V交流電源；計(jì)算機(jī)（模擬示波管YY 極板和XX極板使電子束的偏轉(zhuǎn)和掃描作用）.教學(xué)過程引入新課1 .激發(fā)興趣【演示】利用示波器產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的正弦圖形，指出這是電子經(jīng)電場加 速后又在兩個(gè)相互垂直的電場作用下偏轉(zhuǎn)的結(jié)果.介紹帶電粒子：一般把重力可忽略不計(jì)

2、的微觀粒子稱為帶電粒子， 如質(zhì)子、電子、原子核、離子等.利用電場使帶電粒子加速或偏轉(zhuǎn)在電子技術(shù)和高能物理中有重要作 用，如北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是利用電場加速的實(shí)例，剛才看到的示波器 又是電子在電場中加速及偏轉(zhuǎn)的實(shí)例.下面共同探討帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方法.板書】第九節(jié) 帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行新課板書】一、帶電粒子的加速勻強(qiáng)電場中的加速問題如課本圖14 52所示，在正極板處有一帶正電離子，電量為q，初 速度為vi=0，不計(jì)重力；兩豎直平行金屬板間距離為d，電勢差為U，有幾種方法可求出正離子到達(dá)負(fù)極板時(shí)的速度V2?學(xué)生小組討論后，總結(jié)：（請同學(xué)比較在題設(shè)條件下哪種方法更簡便）.提出問題：

3、如何解決帶電粒子在非勻強(qiáng)電場中的加速問題？學(xué)生自學(xué)課本第113頁例題1后，總結(jié).如課本圖14 53所示，q在金屬絲和金屬板間非勻強(qiáng)電場中加速， 電場力為變力，只可用能量觀點(diǎn)求解.板書2.非勻強(qiáng)電場中的加速問題qU=AEk若帶電粒子經(jīng)電場加速后，速度太小，還不能滿足需要，怎么辦？ 可以由同學(xué)討論提出解決辦法（引導(dǎo)提出多級(jí)加速問題）人們又制造了多 級(jí)加速器.板書3.多級(jí)加速器可以使帶電粒子獲得更高的能量.如圖14-39金屬筒內(nèi)無電場，帶 電粒子每經(jīng)過相鄰兩金屬筒的縫隙便被加速，以很高能量打到靶上.如果使帶電粒子具有一定的初速度V0,同時(shí)要受到與初速度V0不 在同一直線上的合外力作用，它將要做曲線運(yùn)

4、動(dòng)，其中最簡單的情況是： 粒子只受電場力作用，且初速度V0方向垂直于電場.板書】帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的偏轉(zhuǎn)【板圖】(參見課本圖14-54)已知：帶電粒子電性為負(fù)，電量大小為q，質(zhì)量為m，重力不計(jì)，初 速度V0垂直于場強(qiáng).勻強(qiáng)電場：真空中YY，極板水平放置，二板距離為d，電勢差為U， 板長為1.學(xué)生討論下述幾個(gè)問題：一q受力情況如何？運(yùn)動(dòng)性質(zhì)如何？它的 運(yùn)動(dòng)與力學(xué)中的哪種運(yùn)動(dòng)相似？用什么方法研究一q運(yùn)動(dòng)規(guī)律從而求出 它射出電場時(shí)在豎直方向偏移原運(yùn)動(dòng)方向的距離y、末速度v及偏轉(zhuǎn)角【演示】電子束在電場中偏轉(zhuǎn)，給出電場方向，先是讓學(xué)生猜想電 子束偏轉(zhuǎn)軌跡如何，再用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，然后再做

5、定 量分析.這種帶電粒子的勻變速曲線運(yùn)動(dòng)可以用能量觀點(diǎn)研究，也可用運(yùn)動(dòng) 種觀點(diǎn)研究.【板書】水平：勻速直線運(yùn)動(dòng)：Vx=V0、1=V0t【板圖】圖14-40射線中點(diǎn)0直接射出一樣.動(dòng)和分運(yùn)動(dòng)具有等時(shí)性(2)各量均采用SI單位.下面介紹使帶電粒子先加速后偏轉(zhuǎn)在電子技術(shù)中的應(yīng)用一一示波 器.【演示】示波器熒光屏光點(diǎn)上下移動(dòng)，后又展開成正弦圖形，然后 介紹示波器核心一一示波管板書】三、示波管【演示】用實(shí)物投影儀把示波管構(gòu)造向?qū)W生展示，后打出如課本圖 14-55投影圖構(gòu)造及功用電子槍：發(fā)射并加速電子偏轉(zhuǎn)電極YY,：使電子束豎直偏轉(zhuǎn)(加信號(hào)電壓)XX：使電子束水平偏轉(zhuǎn)(加掃描電壓)熒光屏玻殼原理：(1)Y

6、Y作用：被電子槍加速的電子在YY電場中做勻變 速曲線運(yùn)動(dòng)，出電場后做勻速直線運(yùn)動(dòng)打到熒光屏上，參見課本圖14 物質(zhì)的殘光特性看到一條亮線.如何使這一豎直亮線轉(zhuǎn)化成正弦圖形呢？就要加掃描電壓？(2)XX，的作用：【演示】示波器的掃描過程(掃描頻率由慢至快)【投影】由簡諧運(yùn)動(dòng)物體砂擺直接得出振動(dòng)圖象演示，學(xué)生討 論：以勻速拉動(dòng)木板類掃描原理.總結(jié)：在掃描電壓一周期內(nèi)，信號(hào)電壓也變化一周期，熒光屏將出 現(xiàn)一完整正弦圖形.鞏固練習(xí)在正點(diǎn)電荷電場中一根電場線上有A、B兩點(diǎn)，現(xiàn)分別把質(zhì)量為mi、m2，電量為qi、q2兩種帶同種電荷的帶電粒子放在A點(diǎn)，讓它們由靜止開始運(yùn)動(dòng).已知m = 4m2，q2=2qi，

7、求兩個(gè)粒子經(jīng)過B點(diǎn)初速度為零，質(zhì)量為m，電量為q的正離子，由靜止被電壓為U1的加速電場加速后，垂直電場方向射入電壓為U2的偏轉(zhuǎn)電場并射出，一束帶電量均為q的正離子(不計(jì)重力)，垂直電場方向進(jìn)入同一 偏轉(zhuǎn)電場，試討論在以下情況中，是否一定得到相同的偏轉(zhuǎn)距離y和偏(1)進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場時(shí)速度相同；(2)進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場時(shí)動(dòng)能相同；(3)進(jìn) 入偏轉(zhuǎn)電場時(shí)動(dòng)量相同；(4)經(jīng)同一電場由靜止加速后再進(jìn)入該偏轉(zhuǎn)電 場.(2) (4) 一定)作業(yè)復(fù)習(xí)本節(jié)課文將練習(xí)八(1)(2)(3)(4)做在作業(yè)本上參考題下列粒子從初速度為零的狀態(tài)經(jīng)加速電壓為U的電場后，哪種粒 子速度最大？質(zhì)子氘核氦核(a粒子)D.鈉離子Na+ (

8、A)讓氦原子核和質(zhì)子垂直于電場方向通過同一勻強(qiáng)電場，它們的偏 經(jīng)同一電場加速后再進(jìn)入同一偏轉(zhuǎn)電場；若它們以相同速度進(jìn)入同一 偏轉(zhuǎn)電場；(3)若它們以相同的動(dòng)能進(jìn)入同一偏轉(zhuǎn)電場？如圖14-42所示，帶電量之比為qA ： qB=1 : 3的帶電粒子A、B， 先后以相同的速度從同一點(diǎn)射入平行板電容器中，不計(jì)重力，帶電粒子 偏轉(zhuǎn)后打在同一極板上，水平飛行距離之比為xa： xb = 2 : 1.則帶電粒子的質(zhì)量之比mA： mB以及在電場中飛行時(shí)間之比tA： tB分別為：1 : l, 2 : 32 : 1, 3 : 21 ： 1, 3 ： 4D. 4 :2 : 1如圖：14-43所示，實(shí)線為電場線，虛線為

9、等勢面，且相鄰兩 等勢面間電勢差相等，一正電荷在等勢面U3時(shí)具有的動(dòng)能為30J,它運(yùn)動(dòng)到等勢面U1時(shí)，速度恰好為零.令U2=0，那么該電荷的電勢能為4J， 其動(dòng)能為 J.如圖：14-44所示，有三個(gè)質(zhì)量相等分別帶正電、負(fù)電和不帶 電的小球，從平行板電場中的P點(diǎn)以相同的初速度垂直于E進(jìn)入電場， 它們分別落于A、B、C三點(diǎn)，則可判斷：落到A點(diǎn)的小球帶正電，落到B點(diǎn)的小球不帶電三小球在電場中運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等三小球到達(dá)正極板時(shí)的動(dòng)能關(guān)系是：EkAEkBEkc三小球在電場中運(yùn)動(dòng)的加速度關(guān)系是：aAaBac說明帶電粒子在勻強(qiáng)電場中運(yùn)動(dòng)問題可以用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公 式求解，也可用動(dòng)能定理求解，在由非勻強(qiáng)電場

10、中的加速問題，只可用 能量觀點(diǎn)求解，在庫侖力提供向心力的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律運(yùn)用合成與分解方法研究靜電場中帶電粒子勻變速曲線運(yùn)動(dòng)問題 時(shí)，應(yīng)注意根據(jù)運(yùn)動(dòng)圖景，畫出位移或速度分解之平行四邊形，注意合、 分運(yùn)動(dòng)等時(shí)性及矢量運(yùn)算法則的運(yùn)用.在運(yùn)用能量觀點(diǎn)求解時(shí)，應(yīng)注意 分析初、末兩位置的電勢差及初、末狀態(tài)的動(dòng)能，注意電場力做功與路 徑無關(guān)的特點(diǎn)，注意有時(shí)公式中qU=AEK中的U是運(yùn)動(dòng)過程中始、末位 置間的電勢差，注意功的正負(fù).時(shí)總能量守恒.解決帶電油滴或帶電小球在電場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，需同時(shí)考慮帶電體重 力及電場力的作用.在只有重力和電場力做功時(shí)，動(dòng)能、電勢能和重力 勢能間相互轉(zhuǎn)化，且總能量守恒，由于重力G和靜電力Fe做功都與路徑無關(guān)，在該二力均為恒力時(shí)，用復(fù)合場力(G與Fe的合力)一一等效替代 重力和靜電力解決問題有時(shí)很方便.建議在本節(jié)講后一節(jié)習(xí)題課，將力學(xué)中的規(guī)律