帶電粒子在電場中的應用

1、導入新課,使帶電粒子加速的裝置,你們見過圖中的示波管嗎,想知道電子槍的工作原理么,第一章 靜電場,1.9 帶電粒子在電場中的運動,教學目標,1. 知識與能力,帶電粒子在電場中的運動狀態(tài)，及功能的轉(zhuǎn)化關系。 學會運用靜電力做功、電勢、電勢差、等勢面等概念研究帶電粒子在電場中運動時的能量轉(zhuǎn)化。 學會運用靜電力、電場強度等概念研究帶電粒子在電場中運動時的加速度、速度和位移等物理量的變化,2.過程與方法,通過帶電粒子在電場中的偏轉(zhuǎn)，運用以前學過的知識解題。 通過學習本節(jié)知識鞏固以前學過的知識,3.情感態(tài)度與價值觀,理解帶電粒子在電場中是如何運動的，運用現(xiàn)有的物理知識去理解未知的世界,教學重難點,教學重

2、點,教學難點,帶電粒子在電場中運 動的加速度，帶電粒 子在電場中的偏轉(zhuǎn),帶電粒子在電場 中的偏轉(zhuǎn),一、帶電粒子的加速,二、帶電粒子的偏轉(zhuǎn),三、示波管的原理,內(nèi)容解析,一、帶電粒子的加速,帶電粒子在電場中要受到電場力的作用，產(chǎn)生加速度，速度的大小和方向都會發(fā)生變化。在現(xiàn)代科學實驗和技術設備中，常常根據(jù)這個道理，利用電場來改變或控制帶電粒子的運動。下面討論兩種最簡單的情況：一是利用電場使帶電粒子加速，一是利用電場使帶電粒子偏轉(zhuǎn)。 下面我們先來介紹一下如何利用電場使帶電粒子加速,如左圖所示，在真空中有一對平行金屬板，兩板間加以電壓U。兩板間有一個帶正電荷q的帶電粒子，它在電場力的作用下，由靜止開始從

3、正極板向負極板運動，到達負極板時的速度有多大,帶電粒子的加速,我們知道，兩平行金屬板間的電場是勻強電場。如果兩極板是其他形狀，中間的電場不是勻強電場，上式同樣適用。（為什么？說明理由。,帶電粒子在運動過程中，電場力所做的功 W=qU。設帶電粒子到達負極板時的動能 ，由動能定理可知， 由此可求出,帶電粒子沿與電場線平行的方向進入勻強電場，受到電場力與運動方向在同一直線上，做加（減）速直線運動,1、運動狀態(tài)分析,2、用功能觀點分析,如右圖所示，在真空中水平放置一對金屬板X和Y，板間距離為d。在兩板間加以電壓U，兩板間的勻強電場的場強為E=U/d?，F(xiàn)有一電荷量為q的帶電粒子以水平速度v0射入電場中，

4、帶電粒子受到豎直方向的電場力F=qE，因而在電場中發(fā)生偏轉(zhuǎn),注意：以上公式適用于一切電場（包括勻強電場和非勻強電場,二、帶電粒子的偏轉(zhuǎn),帶電粒子以速度v0垂直于電場線方向飛入兩帶電平行板產(chǎn)生的勻強電場時，受到恒定的與初速度方向成九十度角的電場力作用而做勻變速曲線運動（軌跡為拋物線,1、運動狀態(tài)分析,2、偏轉(zhuǎn)運動的分析處理方法,用類似平拋運動分析方法,1）沿初速度方向為速度為v0的勻速直線運動； （2）沿電場力方向為初速度為零的勻加速運動,3、基本公式,1）加速度,2）運動時間,3）離開電場的偏轉(zhuǎn)量,4）偏轉(zhuǎn)量,下面我們來研究一下帶電粒子在電場中運動時它的重力是否可忽略不計,1）基本粒子：如電子

5、、質(zhì)子、 粒子、離子等粒子有說明或有明確暗示以外一般都可忽略不計。 （2）帶電顆粒：如塵埃、液滴、小球等。除有有說明或有明確暗示以外一般不能忽略,三、示波管的原理,有一種電子儀器叫做示波管，可以用來觀察電信號隨時間變化的情況，在學生實驗中要練習使用它。示波管的核心部件是示波管，它由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏組成，管內(nèi)抽成真空,下面我們看一下示波管的原理圖,如果在偏轉(zhuǎn)電極 和偏轉(zhuǎn)電極 上都沒有加電壓電子束從金屬板小孔射出后將沿直線傳播，打在熒光屏上，在那里產(chǎn)生一個亮斑,工作原理,電子槍只是用來發(fā)射和加速電子，在 、 都沒加電壓時，在熒光屏中心處產(chǎn)生一個亮斑。如果只在 加正選變化電壓 時，熒光屏上亮

6、點的運動是豎直方向的簡諧運動，在熒光屏上看到一條豎直方向的亮線。如果只在 加上跟時間成正比的鋸齒形電壓（稱掃描電壓）時，熒光屏上的亮點的運動是不斷重復從做到右的勻速直線運動，在熒光屏上看到一條水平方向的亮線。如果同時在 加掃描電壓、 加同周期的正選變化電壓，熒光屏亮點同時參與水平方向勻速直線運動、豎直方向簡諧運動，在熒光屏上看到的曲線為一個完整的正選波形,課堂小結(jié),帶電粒子在電場中的速度公式,利用電場來改變或控制帶電粒子的運動。下面討論兩種最簡單的情況：一是利用電場使帶電粒子加速，一是利用電場使帶電粒子偏轉(zhuǎn),一、帶電粒子的加速,帶電粒子沿與電場線平行的方向進入勻強電場，受到電場力與運動方向在同

7、一直線上，做加（減）速直線運動,初速度為零時,初速度不為零時,注意：以上公式適用于一切電場（包括勻強電場和非勻強電場,帶電粒子以速度v0垂直于電場線方向飛入兩帶電平行板產(chǎn)生的勻強電場時，受到恒定的與初速度方向成九十度角的電場力作用而做勻變速曲線運動（軌跡為拋物線,二、帶電粒子的偏轉(zhuǎn),1）加速度,2）運動時間,3）離開電場的偏轉(zhuǎn)量,4）偏轉(zhuǎn)量,三、示波管的原理,示波管的核心部件是示波管，它由電子槍、偏轉(zhuǎn)電極和熒光屏組成，管內(nèi)抽成真空,1.有一束正離子，以相同速率從同一位置進入帶電平行板電容器的勻強電場中，所有離子運動軌跡一樣，說明所有離子（ ） A具有相同質(zhì)量 B具有相同電荷量 C具有相同的比荷

8、 D屬于同一元素的同位素,課堂練習,C,2.如圖是一個說明示波管工作的原理圖，電子經(jīng)加速電場（加速電壓為U1）加速后垂直進入偏轉(zhuǎn)電場，離開偏轉(zhuǎn)電場時偏轉(zhuǎn)量是h，兩平行板間的距離為d，電壓為U2，板長為l，每單位電壓引起的偏移 ，叫做示波管的靈敏度，為了提高靈敏度，可采用下列哪些方法（ ） A增大U2 B減小l C減小d D增大U1,C,3.一個有初速的、電量為+4108C為的帶電粒子，在電場中只受電場力作用，從A點運動到B點的過程中，克服電場力做了8105J的功。則A、B兩點的電勢差 =_，在此過程中，電荷的動能_（填“增加”或“減少”）了_ev,2000V,減少,4.如圖所示，虛線表示某點電

9、荷Q所激發(fā)電場的等勢面，已知a、b 兩點在同一等勢面上，c、d兩點在另一個等勢面上。甲、乙兩個帶 電粒子以相同的速率，沿不同的方向從同一點a射入電場，在電場 中沿不同的軌跡adb曲線、acb曲線運動。則兩粒子所帶的電荷符 號_（填“不同”或“相同”）；經(jīng)過b點時，兩粒子的速率 va vb（填“”、 “=” 或“”,不同,5.一束初速不計的電子流在經(jīng)U =5000V的加速電壓加速后，在距兩極板等距處垂直進入平行板間的勻強電場，如圖所示，若板間距離d =1.0cm，板長l =5.0cm，那么，要使電子能從平行板間飛出，兩個極板上最多能加多大電壓,解析：在加速電壓一定時，偏轉(zhuǎn)電壓U越大，電子在極板間

10、的偏轉(zhuǎn)距離就越大。當偏轉(zhuǎn)電壓大到使電子剛好擦著極板的邊緣飛出，此時的偏轉(zhuǎn)電壓，即為題目要求的最大電壓。加速過程，由動能定理得： 進入偏轉(zhuǎn)電場，電子在平行于板面的方向上作勻速運動l=v0t 在垂直于板面的方向上作勻加速直線運動，加速度： 偏轉(zhuǎn)距離 能飛出的條件為 解式得： 即要使電子能飛出，所加電壓最大為400V,高考鏈接,1.（2007 重慶 24）飛行時間質(zhì)譜儀可通過測量離子飛行時間得到離子的荷質(zhì)比q/m。如圖1所示，帶正電的離子經(jīng)電壓為U的電場加速后進入長度為L的真空管AB，可測得離子飛越AB所用的時間t1。改進以上方法，如圖2所示，讓離子飛越AB后進入場強為E（方向如圖）的勻強電場區(qū)域B

11、C，在電場的作用下離子返回B端，此時，測得離子從A出發(fā)后飛行的總時間t2。（不計離子重力）忽略離子源中離子的初速度，用t1計算荷質(zhì)比；用t2計算荷質(zhì)比。離子源中相同荷質(zhì)比離子的初速度不盡相同，設兩個荷質(zhì)比都為q/m的離子在A,端的速度分別為v和v（vv），在改進后的方法中，它們飛行的總時間通常不同，存在時間差t，可通過調(diào)節(jié)電場E使t=0，求此時E的大小,提示：設荷質(zhì)比為k。加速階段 ， 得 ；穿越AB經(jīng)歷時間 ，在電 場E中經(jīng)歷時間 ，因此 將該 式兩邊分別平方后整理得結(jié)論。,教材習題答案,3.答：設加速電壓為U0，偏轉(zhuǎn)電壓為U，帶電粒子的電荷量為q，質(zhì)量為m，垂直進入偏轉(zhuǎn)電場的速度為v0，偏轉(zhuǎn)電場兩極間距離為d，極板長為l，則：帶電粒子在加速電場中獲得初動能 ，粒子在偏轉(zhuǎn)電 場中的加速度 ，在偏轉(zhuǎn)電場中運動 的時間為 ，粒子離開偏轉(zhuǎn)電場時沿靜電 力方向的速度 ，粒子離開偏,轉(zhuǎn)電場時速度方向的偏轉(zhuǎn)角的正切 （1）若電子與氫核的初速度相同，則 （2）若電子與氫核的初動能相同，則,4.答：設加速電壓為U0，偏轉(zhuǎn)電壓為U，帶電粒子的電荷量為q，質(zhì)量為m，垂直進入偏轉(zhuǎn)電場的速度為v0，偏轉(zhuǎn)電場兩極間的距離為d， 極板長為l，則：粒子的初動能 ， 粒子在偏轉(zhuǎn)電場中的加速度 ，在偏轉(zhuǎn) 電場中運動的時間為 ，粒子