2024版新教材高中物理第十章靜電場中的能量5.帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)課件新人教版必修第三冊(cè)

5．帶電粒子在電場中的運(yùn)動(dòng)核心素養(yǎng)定位物理觀念會(huì)從運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系的角度、功和能量變化的關(guān)系的角度分析帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的加速問題．科學(xué)思維(1)知道帶電粒子垂直于電場線進(jìn)入勻強(qiáng)電場運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，并能對(duì)偏移距離、偏轉(zhuǎn)角度、離開電場時(shí)的速度等物理量進(jìn)行分析與計(jì)算．(2)通過解決帶電粒子在電場中加速和偏轉(zhuǎn)的問題，加深對(duì)從牛頓運(yùn)動(dòng)定律和功能關(guān)系兩個(gè)角度分析物體運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)，以及將勻變速直線運(yùn)動(dòng)分解為兩個(gè)方向上的簡單運(yùn)動(dòng)來處理的思路的認(rèn)識(shí)．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任了解示波管的工作原理，體會(huì)靜電場知識(shí)對(duì)科學(xué)技術(shù)的影響，激發(fā)求知欲．導(dǎo)學(xué)·掌握必備知識(shí)共研·突破關(guān)鍵能力精練·落實(shí)學(xué)科素養(yǎng)導(dǎo)學(xué)·掌握必備知識(shí)

電場力相同相反牛頓第二定律勻強(qiáng)電場運(yùn)動(dòng)時(shí)間maat

位移速率非勻強(qiáng)

垂直三、示波管的原理1．構(gòu)造：示波管主要由________、________(XX′和YY′)、________組成，管內(nèi)抽成真空．2．原理(1)給電子槍通電后，如果在偏轉(zhuǎn)電極XX′和偏轉(zhuǎn)電極YY′之間都沒有加電壓，電子束將打在熒光屏的________點(diǎn)．電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏中心O(2)示波管的YY′偏轉(zhuǎn)電極上加的是待測的信號(hào)電壓，使電子沿YY′方向偏轉(zhuǎn)．(3)示波管的XX′偏轉(zhuǎn)電極上加的是儀器自身產(chǎn)生的鋸齒形電壓(如圖所示)，叫作掃描電壓，使電子沿XX′方向偏轉(zhuǎn)．【情境思考】電子束焊接機(jī)中的電場線如圖所示．K為陰極，A為陽極，兩極之間的距離為d，在兩極之間加上高壓U，有一電子在K極由靜止被加速．不考慮電子重力，元電荷為e，判斷以下問題．(1)電子在K附近受到的電場力比在A附近要大．(

)(2)電子由K沿電場線到A電勢能逐漸增大．(

)(3)電子到達(dá)A極板時(shí)的動(dòng)能等于eU.(

)××√拓展

1

[教材問題]電子在加速器中受電場力作用而加速．醫(yī)用電子直線加速器是指利用微波電磁場加速電子并且具有直線運(yùn)動(dòng)軌道的加速裝置，用于對(duì)患者腫瘤或其他病灶放射治療的一種醫(yī)療器械．它能產(chǎn)生高能X射線和電子線，具有劑量率高，照射時(shí)間短，劑量均勻性和穩(wěn)定性好，以及半影區(qū)小等特點(diǎn)．拓展2

[教材例題1](1)帶電粒子在金屬圓筒里為什么不會(huì)被加速？提示：因靜電屏蔽，空腔里的電場強(qiáng)度處處為零．也就是說，帶電粒子在金屬圓筒里不受靜電力，粒子做勻速運(yùn)動(dòng)．(2)利用了極板間的電壓對(duì)粒子進(jìn)行加速，知道電壓越大，粒子出射的末速度越大．在實(shí)際設(shè)計(jì)極板電壓時(shí)，為什么不是在兩極板間加上高電壓而是采用低電壓多級(jí)加速呢？提示：直線加速器都是放置于真空管中工作，雖然是真空管，但管內(nèi)仍會(huì)有稀薄的氣體，如果加速電壓過高，加速器的真空管長度不夠，容易使稀薄氣體電離放電，放電的加速器相當(dāng)于短路狀態(tài)，電壓會(huì)變得很低，所以加速電壓不能無限提高，電壓是有限度的．

共研·突破關(guān)鍵能力目標(biāo)一帶電粒子在電場中的加速【導(dǎo)思】如圖所示，平行板電容器兩板間電壓為U，板間距離為d.一質(zhì)量為m，帶電荷量為q的正離子在左板附近由靜止釋放．(1)正離子在兩板間做什么規(guī)律的運(yùn)動(dòng)？加速度多大？(2)正離子到達(dá)負(fù)極板時(shí)的速度多大？

【歸納】1．帶電粒子的分類及受力特點(diǎn)(1)電子、質(zhì)子、α粒子、離子等基本粒子，一般都不考慮重力，但不能忽略其質(zhì)量．(2)質(zhì)量較大的微粒，如帶電小球、帶電油滴、帶電顆粒、帶電塵埃等，除有說明或有明確的暗示外，處理問題時(shí)一般都不能忽略重力．2．處理帶電粒子在電場中加速問題的兩種方法可以從動(dòng)力學(xué)和功能關(guān)系兩個(gè)角度分析：項(xiàng)目動(dòng)力學(xué)角度功能關(guān)系角度應(yīng)用知識(shí)牛頓第二定律以及勻變速直線運(yùn)動(dòng)公式功的公式及動(dòng)能定理適用條件勻強(qiáng)電場，靜電力是恒力勻強(qiáng)電場、非勻強(qiáng)電場，靜電力可能是恒力或變力【典例】例1.如圖所示，一個(gè)質(zhì)子以初速度v0＝5×106m/s水平射入一個(gè)由兩塊帶電的平行金屬板組成的區(qū)域．兩板距離為20cm，設(shè)金屬板之間電場是勻強(qiáng)電場，電場強(qiáng)度為3×105N/C.質(zhì)子質(zhì)量m＝1.67×10－27kg，電荷量q＝1.60×10－19C．求質(zhì)子由板上小孔射出時(shí)的速度大?。?/p>

答案：6×106m/s例2.如圖所示，平行板電容器兩板間的距離為d＝10cm，電勢差為U＝100V．一質(zhì)量為m、帶正電且電荷量為q的α粒子在靜電力的作用下由靜止開始從正極板A向負(fù)極板B運(yùn)動(dòng)．(1)比較α粒子所受靜電力和重力的大小，說明重力能否忽略不計(jì)(α粒子質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的4倍，即mα＝4×1.67×10－27kg，電荷量是質(zhì)子的2倍)．(2)α粒子的加速度是多少？在電場中做何種運(yùn)動(dòng)？

(3)計(jì)算粒子到達(dá)負(fù)極板時(shí)的速度大小(嘗試用不同的方法)．

[訓(xùn)練1]

如圖所示，P和Q為兩平行金屬板，板間有一定電壓，在P板附近有一電子(不計(jì)重力)由靜止開始向Q板運(yùn)動(dòng)，下列說法正確的是(

)A．兩板間距離越大，加速時(shí)間越短B．兩板間距離越小，電子的加速度就越小C．電子到達(dá)Q板時(shí)的速率，與兩板間距離無關(guān)，僅與加速電壓有關(guān)D．電子到達(dá)Q板時(shí)的速率，與加速電壓無關(guān)，僅與兩板間距離有關(guān)答案：C

答案：C

目標(biāo)二帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)【導(dǎo)思】如圖所示，有一帶電粒子貼著A板沿水平方向射入勻強(qiáng)電場，當(dāng)偏轉(zhuǎn)電壓為U1時(shí)，帶電粒子沿①軌跡從兩極正中間飛出；當(dāng)偏轉(zhuǎn)電壓為U2時(shí)，帶電粒子沿②軌跡落到B板中間．設(shè)粒子兩次射入電場的水平速度相同，則兩次偏轉(zhuǎn)電壓之比為多少？

【歸納】1．類平拋運(yùn)動(dòng)帶電粒子以速度v0垂直于電場線的方向射入勻強(qiáng)電場，受到恒定的與初速度方向垂直的靜電力的作用而做勻變速曲線運(yùn)動(dòng)，稱之為類平拋運(yùn)動(dòng)．可以采用處理平拋運(yùn)動(dòng)的方法分析這種運(yùn)動(dòng)．

答案：B

例4.一束電子流在經(jīng)U＝5000V的加速電壓加速后，在距兩極板等距離處垂直進(jìn)入平行板間的勻強(qiáng)電場，如圖所示．若兩板間距d＝1.0cm，板長l＝5.0cm，那么要使電子能從平行板間飛出，兩個(gè)極板上最大能加多大電壓？答案：400V

思維提升帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)問題的處理方法帶電粒子在電場中運(yùn)動(dòng)的問題實(shí)質(zhì)上是力學(xué)問題的延續(xù)，從受力角度看，帶電粒子與一般物體相比多受到一個(gè)電場力；從處理方法上看，仍可利用力學(xué)中的規(guī)律分析，如選用平衡條件、牛頓定律、動(dòng)能定理、功能關(guān)系、能量守恒等．[訓(xùn)練3]如圖所示，質(zhì)量為m、電荷量為q的粒子，以速度v0垂直于電場方向從A點(diǎn)射入勻強(qiáng)電場，并從電場另一側(cè)B點(diǎn)射出，且射出的速度方向與電場方向的夾角為30°，已知?jiǎng)驈?qiáng)電場的寬度為L.(1)求勻強(qiáng)電場的電場強(qiáng)度E；

(2)求A、B兩點(diǎn)的電勢差UAB.

[訓(xùn)練4]一個(gè)電荷量為q＝－2×10－8C，質(zhì)量為m＝1×10－14kg的帶電粒子，由靜止經(jīng)電壓為U1＝1600V的加速電場加速后，立即沿中心線O1O2垂直進(jìn)入一個(gè)電壓為U2＝2400V的偏轉(zhuǎn)電場，然后打在垂直于O1O2放置的熒光屏上的P點(diǎn)，偏轉(zhuǎn)電場兩極板間距為d＝8cm，極板長L＝8cm，極板的右端與熒光屏之間的距離也為L＝8cm.整個(gè)裝置如圖所示(不計(jì)粒子的重力)．(1)求粒子出加速電場時(shí)的速度v0的大小．

答案：8×104

m/s

(2)求粒子出偏轉(zhuǎn)電場時(shí)的偏移距離y.

答案：0.03m

(3)求P點(diǎn)到O2的距離y′.

答案：0.09m目標(biāo)三示波管的原理【歸納】1．構(gòu)造示波管是示波器的核心部分，外部是一個(gè)抽成真空的玻璃殼，內(nèi)部主要由電子槍(由發(fā)射電子的燈絲、加速電極組成)、偏轉(zhuǎn)電極(由一對(duì)X偏轉(zhuǎn)電極板和一對(duì)Y偏轉(zhuǎn)電極板組成)和熒光屏組成，如圖所示．2．原理(1)掃描電壓：XX′偏轉(zhuǎn)電極接入的是由儀器自身產(chǎn)生的鋸齒形電壓，可使亮斑從左向右掃描移動(dòng)．(2)燈絲被電源加熱后，發(fā)射熱電子，發(fā)射出來的電子經(jīng)加速電場加速后，以很大的速度進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場，如果在Y偏轉(zhuǎn)電極上加一個(gè)周期性的信號(hào)電壓，并且與掃描電壓周期相同，那么就可以在熒光屏上得到待測信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)隨時(shí)間變化的穩(wěn)定圖像．

例5.如圖所示的示波管，當(dāng)兩偏轉(zhuǎn)電極上所加電壓為零時(shí)，電子槍發(fā)射的電子經(jīng)加速電場加速后會(huì)打在熒光屏的正中間(圖示坐標(biāo)在O點(diǎn)，其中x軸與X、X′間的電場的電場強(qiáng)度方向平行，x軸正方向垂直于紙面向里，y軸與Y、Y′間的電場的電場強(qiáng)度方向平行)．若要電子打在圖示坐標(biāo)的第Ⅲ象限，則(

)A．X、Y接電源的正極，X′、Y′接電源的負(fù)極B．X、Y′接電源的正極，X′、Y接電源的負(fù)極C．X′、Y接電源的正極，X、Y′接電源的負(fù)極D．X′、Y′接電源的正極，X、Y接電源的負(fù)極解析：若要使電子打在圖示坐標(biāo)的第Ⅲ象限，電子在x軸上向負(fù)方向偏轉(zhuǎn)，則應(yīng)使X′接正極，X接負(fù)極；電子在y軸上也向負(fù)方向偏轉(zhuǎn)，則應(yīng)使Y′接正極，Y接負(fù)極，所以D正確．答案：D[訓(xùn)練5]

(多選)示波管的構(gòu)造如圖所示．如果在熒光屏上P點(diǎn)出現(xiàn)亮斑，那么示波管中的(

)

A．極板X應(yīng)帶正電

B．極板X′應(yīng)帶正電C．極板Y應(yīng)帶正電

D．極板Y′應(yīng)帶正電解析：根據(jù)亮斑的位置，電子偏向XY區(qū)間，說明電子受到電場力作用發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，因此極板X、極板Y均應(yīng)帶正電，故A、C正確．答案：AC[訓(xùn)練6]如圖甲所示為示波管的原理圖，如果在電極YY′之間所加的電壓按如圖乙所示的規(guī)律變化，在電極XX′之間所加的電壓按如圖丙所示的規(guī)律變化，則在熒光屏上看到的圖形是(

)答案：B

精練·落實(shí)學(xué)科素養(yǎng)1．在如圖所示的勻強(qiáng)電場中，若一個(gè)點(diǎn)電荷從P點(diǎn)由靜止釋放(不計(jì)粒子重力)，則以下說法正確的是(

)A．該點(diǎn)電荷可能做勻變速曲線運(yùn)動(dòng)B．該點(diǎn)電荷一定向右運(yùn)動(dòng)C．靜電力對(duì)該點(diǎn)電荷可能不做功D．該點(diǎn)電荷一定做勻加速直線運(yùn)動(dòng)解析：電荷受到水平方向上的靜電力作用，做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，因?yàn)殡姾傻碾娦晕粗瑹o法確定向哪個(gè)方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，故A、B錯(cuò)誤，D正確；電荷在運(yùn)動(dòng)的過程中，靜電力做正功，故C錯(cuò)誤．答案：D2．如圖所示，一束粒子(不計(jì)粒子重力)從

O

點(diǎn)沿水平方向以初速度v0射入平行板之間的電場后分成了

a、b、c、

d

四束，各粒子束中粒子不帶電且動(dòng)能保持不變的是(

)A．a(chǎn)B．bC．cD．d解析：由軌跡可知，粒子b的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線，沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，可知粒子b不受電場力，做勻速直線運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能保持不變．故選B.答案：B3．當(dāng)今醫(yī)學(xué)上對(duì)某些腫瘤采用質(zhì)子療法進(jìn)行治療，該療法用一定能量的質(zhì)子束照射腫瘤殺死癌細(xì)胞．現(xiàn)用一直線加速器來加速質(zhì)子，使其從靜止開始被加速到1.0×107m/s.已知加速電場的場強(qiáng)為1.3×105N/C，質(zhì)子的質(zhì)量為1.67×10－27kg，電荷量為1.6×10－19C．則下列說法正確的是(

)A．加速過程中質(zhì)子電勢能增加B．質(zhì)子所受到的電場力約為2×10－15NC．質(zhì)子加速需要的時(shí)間約為8×1