高中物理選修帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的運(yùn)動 教案

九、帶電粒子在勻強(qiáng)電場中的運(yùn)動教學(xué)目的1．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)知識在實(shí)際中的應(yīng)用．2．掌握分析和解決帶電粒子在電場中運(yùn)動問題的思路和方法．3．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)動速度、位移分解圖，示波管原理圖；由砂擺得出簡諧運(yùn)動位移一時間圖象裝置圖；電子束演示儀、示波器、示波管、訊號源、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)生動態(tài)的正弦圖形，指出這是電子經(jīng)電場加速后又在兩個相互垂直的電場作用下偏轉(zhuǎn)的結(jié)果．2．介紹帶電粒子：一般把重力可忽略不計(jì)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●進(jìn)行新課【板書】一、帶電粒子的加速1．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v1=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：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=ΔEk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)提出多級加速問題)人們又制造了多級加速器．【板書】3．多級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)動，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l．學(xué)生討論下述幾個問題：－q受力情況如何？運(yùn)動性質(zhì)如何？它的運(yùn)動與力學(xué)中的哪種運(yùn)動相似？用什么方法研究－q運(yùn)動規(guī)律從而求出它射出電場時在豎直方向偏移原運(yùn)動方向的距離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)動學(xué)生的積極性，然后再做定量分析．這種帶電粒子的勻變速曲線運(yùn)動可以用能量觀點(diǎn)研究，也可用運(yùn)動種觀點(diǎn)研究．【板書】水平：勻速直線運(yùn)動：vx=v0、l=v0t【板圖】圖14－40射線中點(diǎn)O′直接射出一樣．動和分運(yùn)動具有等時性(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——示波器．【演示】示波器熒光屏光點(diǎn)上下移動，后又展開成正弦圖形，然后介紹示波器核心——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1．構(gòu)造及功用(1)電子槍：發(fā)射并加速電子(2)偏轉(zhuǎn)電極YY′：使電子束豎直偏轉(zhuǎn)(加信號電壓)XX′：使電子束水平偏轉(zhuǎn)(加掃描電壓)(3)熒光屏(4)玻殼2．原理：(1)YY′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，出電場后做勻速直線運(yùn)動打到熒光屏上，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)動物體——砂擺直接得出振動圖象演示，學(xué)生討論：以勻速拉動木板類掃描原理．總結(jié)：在掃描電壓一周期內(nèi)，信號電壓也變化一周期，熒光屏將出現(xiàn)一完整正弦圖形．●鞏固練習(xí)1．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m1、m2，電量為q1、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．已知m1＝4m2，q2=2q1，求兩個粒子經(jīng)過B2．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，3．一束帶電量均為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)電場時速度相同；(2)進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場時動能相同；(3)進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場時動量相同；(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)1．復(fù)習(xí)本節(jié)課文2．將練習(xí)八(1)(2)(3)(4)做在作業(yè)本上參考題1．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？[]A．質(zhì)子 B．氘核C．氦核(α粒子) D．鈉離子Na+(A)2．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；(2)若它們以相同速度進(jìn)入同一偏轉(zhuǎn)電場；(3)若它們以相同的動能進(jìn)入同一偏轉(zhuǎn)電場？3．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間之比tA：tB分別為：[]A．1∶l，2∶3 B．2∶1，3∶2C．1∶1，3∶4 D．4∶3，2∶14．如圖：14－43所示，實(shí)線為電場線，虛線為等勢面，且相鄰兩等勢面間電勢差相等，一正電荷在等勢面U3時具有的動能為30J，它運(yùn)動到等勢面U1時，速度恰好為零．令U2=0，那么該電荷的電勢能為4J，其動能為__________J．5．如圖：14－44所示，有三個質(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：[]A．落到A點(diǎn)的小球帶正電，落到B點(diǎn)的小球不帶電B．三小球在電場中運(yùn)動時間相等C．三小球到達(dá)正極板時的動能關(guān)系是：EkA＞EkB＞EkCD．三小球在電場中運(yùn)動的加速度關(guān)系是：aA＞aB＞aC說明1．帶電粒子在勻強(qiáng)電場中運(yùn)動問題可以用牛頓運(yùn)動定律和運(yùn)動學(xué)公式求解，也可用動能定理求解，在由非勻強(qiáng)電場中的加速問題，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，由牛頓第二定律2．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)動問題時，應(yīng)注意根據(jù)運(yùn)動圖景，畫出位移或速度分解之平行四邊形，注意合、分運(yùn)動等時性及矢量運(yùn)算法則的運(yùn)用．在運(yùn)用能量觀點(diǎn)求解時，應(yīng)注意分析初、末兩位置的電勢差及初、末狀態(tài)的動能，注意電場力做功與路徑無關(guān)的特點(diǎn)，注意有時公式中qU＝ΔEK中的U是運(yùn)動過程中始、末位置間的電勢差，注意功的正負(fù)．時總能量守恒．4．解決帶電油滴或帶電小球在電場中運(yùn)動時，需同時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，動能、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，用復(fù)合場力(G與FE的合力)——等效替代重力和靜電力解決問題有時很方便．5．建議在本節(jié)講后一節(jié)習(xí)題課，將力學(xué)中的規(guī)律與