帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 課件-2023-2024學(xué)年高二上學(xué)期物理人教版（2019）必修第三冊(cè)

人教版必修三第十章《靜電場(chǎng)中的能量》5.帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情境與思考在現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)設(shè)備中，常利用電場(chǎng)來(lái)改變或控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)。在原子物理、核物理領(lǐng)域，帶電粒子被加速成高能粒子，轟擊原子、原子核，幫助人類(lèi)認(rèn)識(shí)物質(zhì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，帶電粒子被加速后，轟擊金屬靶，產(chǎn)生的射線(xiàn)，用于放射治療。醫(yī)用電子直線(xiàn)加速器【思考】電子在加速器中是受到什么力而加速的？學(xué)習(xí)任務(wù)一：帶電粒子在電場(chǎng)中的加速運(yùn)動(dòng)ABUdE+【情境】如圖所示，在加上電壓U并處于真空中相距d的平行金屬板間有一正電荷q，質(zhì)量為m,只在電場(chǎng)力作用下從靜止釋放。求粒子到達(dá)B板的速度。問(wèn)題1:求金屬板間的電場(chǎng)強(qiáng)度E?問(wèn)題2:求電荷的加速度?問(wèn)題3:電荷到達(dá)B板速度為多大?問(wèn)題4:還有其他方法求電荷到達(dá)B板的速度嗎?學(xué)習(xí)任務(wù)一：帶電粒子在電場(chǎng)中的加速運(yùn)動(dòng)ABUdE+【情境】如圖所示，在加上電壓U并處于真空中相距d的平行金屬板間有一正電荷q，質(zhì)量為m,只在電場(chǎng)力作用下從靜止釋放。求粒子到達(dá)B板的速度?！旧疃人伎肌?.如果換成非勻強(qiáng)電場(chǎng)，上述方法和結(jié)果是否仍然適用？為什么？6.如果沿不同的路線(xiàn)，粒子到達(dá)負(fù)極板的速率相同嗎？為什么？學(xué)習(xí)任務(wù)一：帶電粒子在電場(chǎng)中的加速運(yùn)動(dòng)＋－AB+FU【延申思考】獲得的加速速度：【說(shuō)明】只要電壓U越大，粒子的速度就越大，這樣就能獲得足夠大的速度。不計(jì)重力。學(xué)習(xí)任務(wù)一：帶電粒子在電場(chǎng)中的加速運(yùn)動(dòng)＋－AB+F＋－AB+F＋－AB+F【推理與結(jié)論】存在減速過(guò)程，抵消了前面極板的所提供的能量，所以不能一直加速?！締?wèn)題】如圖多級(jí)平行板連接，能否加速粒子（不計(jì)重力）？學(xué)習(xí)任務(wù)一：帶電粒子在電場(chǎng)中的加速運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)不斷改變電壓方向使帶電粒子實(shí)現(xiàn)多級(jí)加速?！緞?chuàng)新設(shè)計(jì)】學(xué)習(xí)任務(wù)一：帶電粒子在電場(chǎng)中的加速運(yùn)動(dòng)【對(duì)加速器設(shè)計(jì)的思考】可以通過(guò)改變電壓方向使帶電粒子（不計(jì)重力）實(shí)現(xiàn)多級(jí)加速。1.如果電壓方向變化時(shí)間相等，我們就需要加長(zhǎng)極板之間距離。U~2.如果我們不改變極板之間的距離就需要不斷縮短電壓方向變化的時(shí)間間隔。UU-Uto學(xué)習(xí)任務(wù)一：帶電粒子在電場(chǎng)中的加速運(yùn)動(dòng)多級(jí)直線(xiàn)加速器示意圖U0u0-u0tT2TU~＋－金屬圓筒金屬圓筒的作用：由于金屬導(dǎo)體的靜電屏蔽作用，會(huì)使金屬圓筒內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度等于0，電子在各個(gè)金屬圓筒內(nèi)部都不受靜電力的作用，它在圓筒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。極板極板的作用：電子在極板間加速?！痉桨敢弧繉W(xué)習(xí)任務(wù)一：帶電粒子在電場(chǎng)中的加速運(yùn)動(dòng)多級(jí)直線(xiàn)加速器示意圖U0u0-u0tT2TU~＋－電子只有在極板之間被加速，射入金屬圓筒后，電子做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，每次運(yùn)動(dòng)到圓筒右側(cè)極板時(shí)，電壓方向反向，電子都會(huì)被再次被加速，以更大的速度進(jìn)入下一圓筒內(nèi)，繼續(xù)做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；多次重復(fù)這一加速過(guò)程，電子最終獲得較大的速度?！獙W(xué)習(xí)任務(wù)一：帶電粒子在電場(chǎng)中的加速運(yùn)動(dòng)多級(jí)直線(xiàn)加速器示意圖U0u0-u0tT2TU~＋根據(jù)可知，極板間的距離與速度無(wú)關(guān)，所以板間距離可以小一些，這樣電子通過(guò)圓筒間隙的時(shí)間可以忽略不計(jì)，因此電子勻速穿過(guò)每個(gè)圓筒運(yùn)動(dòng)的時(shí)間恰好等于交變電壓的周期的一半，為，所以每個(gè)圓筒的長(zhǎng)度等于l=v

。—學(xué)習(xí)任務(wù)一：帶電粒子在電場(chǎng)中的加速運(yùn)動(dòng)【典例1】

為使電子運(yùn)動(dòng)到圓筒與圓筒之間各個(gè)間隙中都能恰好使靜電力的方向跟運(yùn)動(dòng)方向相同而不斷加速，圓筒長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)必須遵照一定的規(guī)律。若已知電子的質(zhì)量為m、電子電荷量為e、電壓的絕對(duì)值為u，周期為T(mén)，電子通過(guò)圓筒間隙的時(shí)間可以忽略不計(jì)。則金屬圓筒的長(zhǎng)度和它的序號(hào)之間有什么定量關(guān)系？第n個(gè)金屬圓筒的長(zhǎng)度應(yīng)該是多少？學(xué)習(xí)任務(wù)二：帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)如圖，一帶電粒子以垂直勻強(qiáng)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)方向以初速度v0

射入電場(chǎng)，若不計(jì)粒子的重力，帶電粒子將做什么運(yùn)動(dòng)？1.受力分析：僅受豎直向下的電場(chǎng)力做類(lèi)平拋運(yùn)動(dòng)2.運(yùn)動(dòng)分析：v0q、mLd----------+++++++++U++垂直電場(chǎng)方向：勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)沿電場(chǎng)方向：初速度為零的勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)任務(wù)二：帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)v0q、mLd----------+++++++++U+++v0ya(1)沿初速度方向：(2)垂直于初速度方向：（1）偏轉(zhuǎn)距離：（2）偏轉(zhuǎn)角度：a速度的反向延長(zhǎng)交于水平位移的中點(diǎn)學(xué)習(xí)任務(wù)二：帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)Ld--------+++++++++Uv0q、m++vyθvv0y1.飛行時(shí)間：2.加速度：3.豎直分速度：4.豎直分位移：5.速度偏轉(zhuǎn)角：學(xué)習(xí)任務(wù)二：帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)1.初速度相同的帶電粒子，無(wú)論m、q是否相同，只要q/m相同，則偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角度θ都相同。(即軌跡重合)當(dāng)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的U、L、d一定：Ld----------+++++++++Uv0q、m++vyθvv0y2.初動(dòng)能相同的帶電粒子，只要q相同，無(wú)論m是否相同，則偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角度θ都相同。(即軌跡重合)

（1）電子經(jīng)過(guò)電壓U加速后的速度vx的大??；（3）電子離開(kāi)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)的速度方向與剛進(jìn)入該電場(chǎng)時(shí)的速度方向之間的夾角θ。（2）電子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的加速度a的大??；學(xué)習(xí)任務(wù)二：帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)任務(wù)三：示波管的原理加速電壓

電子槍偏轉(zhuǎn)電極亮斑亮斑熒光屏

電子槍產(chǎn)生電子束

加速電壓

【示波管的構(gòu)造】學(xué)習(xí)任務(wù)三：示波管的原理-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏【思考與討論1】如果在電極XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間也不加電壓，電子將打在熒光屏的什么位置？學(xué)習(xí)任務(wù)三：示波管的原理【思考與討論2】如果在電極XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間加不變電壓，使Y的電勢(shì)比Yˊ高，電子將打在熒光屏的什么位置？-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏學(xué)習(xí)任務(wù)三：示波管的原理【思考與討論3】如果在電極XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間加不變電壓，使Yˊ的電勢(shì)比Y高，電子將打在熒光屏的什么位置？-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏學(xué)習(xí)任務(wù)三：示波管的原理【思考與討論4】如果在XXˊ之間不加電壓，而在YYˊ之間加按圖示的規(guī)律變化的電壓，在熒光屏?xí)吹降氖裁礃拥膱D形？XˊXYYˊUYtOYˊ隨信號(hào)電壓同步變化，但由于視覺(jué)暫留和熒光物質(zhì)的殘光特性，只能看到一條豎直的亮線(xiàn)。學(xué)習(xí)任務(wù)三：示波管的原理【思考與討論5】如果在電極YYˊ之間不加電壓，而在XXˊ之間加不變電壓，使X的電勢(shì)比Xˊ高，電子將打在熒光屏的什么位置？-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏學(xué)習(xí)任務(wù)三：示波管的原理【思考與討論6】如果在電極YYˊ之間不加電壓，而在XXˊ之間加不變電壓，使Xˊ的電勢(shì)比

X高，電子將打在熒光屏的什么位置？-+XˊXˊXXYYˊYˊY電子槍偏轉(zhuǎn)電極熒光屏學(xué)習(xí)任務(wù)三：示波管的原理【結(jié)論】若XXˊ所加的電壓為特定的周期性變化電壓，則亮斑在水平方向來(lái)回運(yùn)動(dòng)一一掃描，如果掃描電壓變化很快，亮斑看起來(lái)為一條水平的亮線(xiàn)。UXt掃描電壓示波器圖象OXˊXYYˊ學(xué)習(xí)任務(wù)三：示波管的原理【思考與討論7】如果在YYˊ之間加如圖所示的交變電壓，同時(shí)在XXˊ之間加鋸齒形掃描電壓，在熒光屏上會(huì)看到什么圖形？ABCDFABCt1DEFt2XˊXYYˊtOUYUXOtABCDEEFt2t1t2t1學(xué)習(xí)任務(wù)三：示波管的原理

如果信號(hào)電壓是周期性的，并且掃描電壓與信號(hào)電壓的周期相同，就可以在熒光屏上得到待測(cè)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)隨時(shí)間變化的穩(wěn)定圖象。示波器圖象tOUYUXOtXˊXY