高中物理靜電場(chǎng)帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)2 新人教版選修PPT課件

帶電粒子在電場(chǎng)中要受到哪些力的作用？帶電粒子在電場(chǎng)中要受到哪些力的作用？對(duì)于象質(zhì)子、電子、離子等帶電微粒在電場(chǎng)中運(yùn)對(duì)于象質(zhì)子、電子、離子等帶電微粒在電場(chǎng)中運(yùn) 動(dòng)時(shí)，動(dòng)時(shí)，我們?cè)鯓犹幚硭鼈兊氖芰?？我們?cè)鯓犹幚硭鼈兊氖芰?？帶電粒子在電?chǎng)中通常要受到重力和電場(chǎng)力帶電粒子在電場(chǎng)中通常要受到重力和電場(chǎng)力質(zhì)子、電子、離子等帶電微粒所受重力一般遠(yuǎn)小于電場(chǎng)力，重力可以忽質(zhì)子、電子、離子等帶電微粒所受重力一般遠(yuǎn)小于電場(chǎng)力，重力可以忽略。重力勢(shì)能就可以不考慮。略。重力勢(shì)能就可以不考慮。研究運(yùn)動(dòng)前的研究運(yùn)動(dòng)前的”熱身熱身”第1頁/共29頁帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，所受電場(chǎng)力對(duì)粒子產(chǎn)生加速度，改變帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，所受電場(chǎng)力對(duì)粒子產(chǎn)生加速度，改變粒子的速度。電場(chǎng)力（合外力）對(duì)粒子做功，改變粒子的動(dòng)能。粒子的速度。電場(chǎng)力（合外力）對(duì)粒子做功，改變粒子的動(dòng)能。 帶電粒子在均強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)有什么特點(diǎn)帶電粒子在均強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)有什么特點(diǎn)? ?帶電粒子在均強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，所受電場(chǎng)力是恒力帶電粒子在均強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，所受電場(chǎng)力是恒力, ,產(chǎn)生恒定產(chǎn)生恒定的加速度，所以帶電粒子在均強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)跟物體在重力場(chǎng)中的加速度，所以帶電粒子在均強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)跟物體在重力場(chǎng)中的自由落體和拋體運(yùn)動(dòng)相似的自由落體和拋體運(yùn)動(dòng)相似. .帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，電場(chǎng)力對(duì)粒子的運(yùn)動(dòng)有什么效果？帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，電場(chǎng)力對(duì)粒子的運(yùn)動(dòng)有什么效果？第2頁/共29頁研究帶電粒子運(yùn)動(dòng)的主要工具：研究帶電粒子運(yùn)動(dòng)的主要工具： 電場(chǎng)力電場(chǎng)力 加速度加速度 電場(chǎng)力的功電場(chǎng)力的功 動(dòng)能定理動(dòng)能定理 F=qEa=F/mW=qU2022121mvmvqUWt第3頁/共29頁粒子的運(yùn)動(dòng)象重力場(chǎng)中的什么運(yùn)動(dòng)？E+q不計(jì)粒子重力F=qEV0 =0自由落體，你答對(duì)了第4頁/共29頁粒子的運(yùn)動(dòng)象重力場(chǎng)中的什么運(yùn)動(dòng)？V0 F=qE不計(jì)粒子重力-q上拋運(yùn)動(dòng)，你答對(duì)了E第5頁/共29頁粒子的運(yùn)動(dòng)象重力場(chǎng)中的什么運(yùn)動(dòng)？EF=qE+qV0不不計(jì)計(jì)粒粒子子重重力力平拋運(yùn)動(dòng)，你答對(duì)了第6頁/共29頁下下 面面 我我 們們 來來 研研 究究電電 場(chǎng)場(chǎng) 對(duì)對(duì) 帶帶 電電 粒粒 子子 的的加加 速速 問問 題題第7頁/共29頁方法方法1 1：從動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析粒子被加速從動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析粒子被加速動(dòng)力學(xué)：動(dòng)力學(xué)：F=qEa=F/m運(yùn)動(dòng)學(xué)：運(yùn)動(dòng)學(xué)：2012Sv tat220-2tvvaSqUmdqUdU+-m m qd0vtv第8頁/共29頁方法：方法：從做功和能量的角度分析粒子被加速從做功和能量的角度分析粒子被加速粒子只受到電場(chǎng)力做功粒子只受到電場(chǎng)力做功還有問題：如果不是勻強(qiáng)電場(chǎng)，上面公式是否適用？還有問題：如果不是勻強(qiáng)電場(chǎng)，上面公式是否適用？由于電場(chǎng)力做功與場(chǎng)強(qiáng)是否勻強(qiáng)無關(guān)，與運(yùn)動(dòng)路徑也無關(guān)，上面公由于電場(chǎng)力做功與場(chǎng)強(qiáng)是否勻強(qiáng)無關(guān)，與運(yùn)動(dòng)路徑也無關(guān)，上面公式仍適用！式仍適用！顯然，用功能關(guān)系解題簡(jiǎn)便！顯然，用功能關(guān)系解題簡(jiǎn)便！212tWqUmv2012212tWqUmvmv00v 00v U+-m m qd0vtv第9頁/共29頁 電荷量為電荷量為e e的電子從金屬絲移動(dòng)的電子從金屬絲移動(dòng)到金屬板。兩處的電勢(shì)差為到金屬板。兩處的電勢(shì)差為U U，電勢(shì)，電勢(shì)能變化（減少）為能變化（減少）為e Ue U. .電勢(shì)能的變電勢(shì)能的變化全部轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能化全部轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能。解：解：所以212tqUmv1922 1.6 102500m/s300.9 1073.0 10 m/steUVm 例例1 1：實(shí)驗(yàn)表明，熾熱的金屬絲可以：實(shí)驗(yàn)表明，熾熱的金屬絲可以發(fā)射電子。在熾熱金屬絲和金屬板間加發(fā)射電子。在熾熱金屬絲和金屬板間加以電壓以電壓U=2500VU=2500V，從熾熱金屬絲發(fā)射出，從熾熱金屬絲發(fā)射出的電子在真空中被加速后，從金屬板的的電子在真空中被加速后，從金屬板的小孔穿出。電子射出后的速度有多大？小孔穿出。電子射出后的速度有多大？設(shè)電子剛從金屬絲射出時(shí)的速度為零。設(shè)電子剛從金屬絲射出時(shí)的速度為零。第10頁/共29頁 結(jié)論：由于電場(chǎng)力做功與場(chǎng)強(qiáng)是否勻強(qiáng)結(jié)論：由于電場(chǎng)力做功與場(chǎng)強(qiáng)是否勻強(qiáng)無關(guān)，與運(yùn)動(dòng)路徑也無關(guān)，所以在處理無關(guān)，與運(yùn)動(dòng)路徑也無關(guān)，所以在處理電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的加速問題時(shí)，一般都電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的加速問題時(shí)，一般都是利用動(dòng)能定理進(jìn)行處理。是利用動(dòng)能定理進(jìn)行處理。第11頁/共29頁下面我們來研究下面我們來研究電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的電場(chǎng)對(duì)帶電粒子的偏轉(zhuǎn)問題偏轉(zhuǎn)問題第12頁/共29頁、不計(jì)重力，初速度垂直于電場(chǎng)方向飛入勻強(qiáng)電場(chǎng)、不計(jì)重力，初速度垂直于電場(chǎng)方向飛入勻強(qiáng)電場(chǎng)處理方法：處理方法：）粒子在與電場(chǎng)垂直的方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)）粒子在與電場(chǎng)平行的方向上做初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng)類似平拋運(yùn)動(dòng)的分析方法類似平拋運(yùn)動(dòng)的分析方法 l+- - - - - - -q qv vv v0 0v vy yyd dv vx xv v0 0X=v v0 0t tt=0 xv=0vlv vy y=ataty y= =221at0mdvqUl 2022mdvqUl 0vvy20mdvqUl v v0 0F F= =mdqUt mFt mqEt = =tan s ss s22yx 離開電場(chǎng)時(shí)偏移量離開電場(chǎng)時(shí)偏移量: :離開電場(chǎng)時(shí)偏轉(zhuǎn)角離開電場(chǎng)時(shí)偏轉(zhuǎn)角: :在電場(chǎng)中飛行時(shí)間在電場(chǎng)中飛行時(shí)間: :第13頁/共29頁例題例題2： 一電子水平射入如圖所示的電場(chǎng)中，射入時(shí)的速度一電子水平射入如圖所示的電場(chǎng)中，射入時(shí)的速度V0=3.0X107m/s.兩極板的長度為兩極板的長度為L=6.0cm，相距，相距d=2cm，極板間電壓，極板間電壓U=200V.求電子離開電求電子離開電場(chǎng)時(shí)偏轉(zhuǎn)的角度場(chǎng)時(shí)偏轉(zhuǎn)的角度。v v0 0-qmU2+-dLFv vt tv v0 0v vy yy電子離開電場(chǎng)時(shí)沿電電子離開電場(chǎng)時(shí)沿電場(chǎng)方向的分速度為場(chǎng)方向的分速度為Vy，0yeUlvatmdv 離開電場(chǎng)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度為離開電場(chǎng)時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度為200tanyveUlvmdv角度為角度為6.8度度第14頁/共29頁結(jié)論：帶電粒子初速度垂直于電場(chǎng)方向飛入勻強(qiáng)電場(chǎng)的問題就結(jié)論：帶電粒子初速度垂直于電場(chǎng)方向飛入勻強(qiáng)電場(chǎng)的問題就是一個(gè)類平拋的問題。是一個(gè)類平拋的問題。粒子在與電場(chǎng)垂直的方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)粒子在與電場(chǎng)垂直的方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)粒子在與電場(chǎng)平行的方向上做初速為零的勻加速運(yùn)動(dòng)粒子在與電場(chǎng)平行的方向上做初速為零的勻加速運(yùn)動(dòng)下面看看加速和偏轉(zhuǎn)一體的問題下面看看加速和偏轉(zhuǎn)一體的問題第15頁/共29頁例例3、離子發(fā)生器發(fā)射出一束質(zhì)量為、離子發(fā)生器發(fā)射出一束質(zhì)量為m，電荷量為，電荷量為q的負(fù)離子，從靜止經(jīng)的負(fù)離子，從靜止經(jīng)加速電壓加速電壓U 1 加速后，獲得速度加速后，獲得速度 v0，并沿垂直于電場(chǎng)線方向射入兩平行，并沿垂直于電場(chǎng)線方向射入兩平行板中央，受偏轉(zhuǎn)電壓板中央，受偏轉(zhuǎn)電壓U2作用后，以速度作用后，以速度離開電場(chǎng)，已知平行板長為離開電場(chǎng)，已知平行板長為，兩板間距離為兩板間距離為d，求：，求：1 1）離子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、）離子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、加速度、速度的大??；加速度、速度的大??；2 2）離子在離開偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)的橫向）離子在離開偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)的橫向偏移量和偏轉(zhuǎn)角的正切值。偏移量和偏轉(zhuǎn)角的正切值。第16頁/共29頁解：解： l+- - - - - - -q qv v0 0F Fu u1 1v vy yv v0 0由動(dòng)能定理得到由動(dòng)能定理得到20121mvqU 即即=v v0 0mqU121 1）離子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、加速）離子在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、加速度、速度的大小度、速度的大小t=0vL=12mLqU加速度加速度a=mF速度速度的大小的大小v vy y=atmdqU2 12qumL122mUqdLU v v220yvv 1222221224UmdUqLUqd 時(shí)間時(shí)間2qUm d第17頁/共29頁2 2）離子在離開偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)的橫向偏移量和偏轉(zhuǎn)角的正切值。）離子在離開偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)的橫向偏移量和偏轉(zhuǎn)角的正切值。 l+- - - - - - -q qyv v0 0F F u u1 1v vy yv v0 0橫向偏移量橫向偏移量解：解：221aty mdqU2 a12qUmLt = 122.qUmL2214L UdUmdqU2 速度偏轉(zhuǎn)角的正切值：速度偏轉(zhuǎn)角的正切值：tan 0vvy=122mUqdLU 12qUm122dUUL v v0 0m2qu1=v vy y122muqdLu偏轉(zhuǎn)量和帶電粒子偏轉(zhuǎn)量和帶電粒子q、m無關(guān)，無關(guān)，只取決于加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)只取決于加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)和帶電粒子和帶電粒子q、m無關(guān)，只取無關(guān)，只取決于加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)決于加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)第18頁/共29頁思考題：讓一價(jià)氫離子、一價(jià)氦離子和二價(jià)氦離子的混合物經(jīng)過思考題：讓一價(jià)氫離子、一價(jià)氦離子和二價(jià)氦離子的混合物經(jīng)過同一加速電場(chǎng)由靜止開始加速，然后在同一偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)里同一加速電場(chǎng)由靜止開始加速，然后在同一偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)里偏轉(zhuǎn)，在通過加速電場(chǎng)時(shí)獲得的動(dòng)能是否相同？通過偏偏轉(zhuǎn)，在通過加速電場(chǎng)時(shí)獲得的動(dòng)能是否相同？通過偏 轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)，它們是否會(huì)分為三股？請(qǐng)說明理由。轉(zhuǎn)電場(chǎng)時(shí)，它們是否會(huì)分為三股？請(qǐng)說明理由。答案：通過加速電場(chǎng)時(shí)獲得的動(dòng)能答案：通過加速電場(chǎng)時(shí)獲得的動(dòng)能Ek=qU,加速電壓相同，二價(jià)氦離加速電壓相同，二價(jià)氦離子電荷量最大，所以二價(jià)氦離子獲得動(dòng)能最大。粒子的偏轉(zhuǎn)量和偏子電荷量最大，所以二價(jià)氦離子獲得動(dòng)能最大。粒子的偏轉(zhuǎn)量和偏轉(zhuǎn)角由加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)決定，所以三種粒子不可能分開為三股。轉(zhuǎn)角由加速電場(chǎng)和偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)決定，所以三種粒子不可能分開為三股。你答對(duì)了嗎？你答對(duì)了嗎？第19頁/共29頁3 3 示波管的原理示波器第20頁/共29頁第21頁/共29頁課堂小結(jié)：課堂小結(jié)：一、利用電場(chǎng)使帶電粒子加一、利用電場(chǎng)使帶電粒子加速速二、利用電場(chǎng)使帶電粒子偏轉(zhuǎn)二、利用電場(chǎng)使帶電粒子偏轉(zhuǎn)從動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析從動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)角度分析從做功和能量的角度分析從做功和能量的角度分析類似平拋運(yùn)動(dòng)的分析方法類似平拋運(yùn)動(dòng)的分析方法粒子在與電場(chǎng)垂直的方向上做粒子在與電場(chǎng)垂直的方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)勻速直線運(yùn)動(dòng)粒子在與電場(chǎng)平行的方向上做粒子在與電場(chǎng)平行的方向上做初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng)初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng)第22頁/共29頁 1如圖所示，邊長為L的正方形區(qū)域abcd內(nèi)存在著勻強(qiáng)電場(chǎng)。電量為q、動(dòng)能為Ek的帶電粒子從a點(diǎn)沿ab方向進(jìn)入電場(chǎng)，不計(jì)重力。（1）若粒子從c點(diǎn)離開電場(chǎng)，求電場(chǎng)強(qiáng)度的大小和粒子離開電場(chǎng)時(shí)的動(dòng)能；（2）若粒子離開電場(chǎng)時(shí)動(dòng)能為Ek ，則電場(chǎng)強(qiáng)度為多大？ abcdE解:（1） Lv0t，2220122qEqELLtmmv所以4kEEqLktkqELEE所以5ktkkEqELEE第23頁/共29頁（2）若粒子由bc邊離開電場(chǎng)，Lv0t，0yqEtqELvmmv2222222201224kkykq E Lq E LEEmvmvE 所以2()kkkEEEEqL kkqELEE所以kkEEEqL 1如圖所示，邊長為L的正方形區(qū)域abcd內(nèi)存在著勻強(qiáng)電場(chǎng)。電量為q、動(dòng)能為Ek的帶電粒子從a點(diǎn)沿ab方向進(jìn)入電場(chǎng)，不計(jì)重力。（1）若粒子從c點(diǎn)離開電場(chǎng)，求電場(chǎng)強(qiáng)度的大小和粒子離開電場(chǎng)時(shí)的動(dòng)能；（2）若粒子離開電場(chǎng)時(shí)動(dòng)能為Ek ，則電場(chǎng)強(qiáng)度為多大？ abcdE第24頁/共29頁2如圖所示，豎直平行直線為勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)線，電場(chǎng)方向未知，A，B是電場(chǎng)中的兩點(diǎn)，AB兩點(diǎn)的連線長為l且與電場(chǎng)線所夾的銳角為一個(gè)質(zhì)量為m，電荷量為q的帶電粒子以初速度v0。從A點(diǎn)垂直進(jìn)入電場(chǎng)，該帶電粒子恰好能經(jīng)過B點(diǎn)不考慮帶電粒子的重力大小(1)根據(jù)你學(xué)過的物理學(xué)規(guī)律和題中所給的信息，對(duì)反映電場(chǎng)本身性質(zhì)的物理量(例如電場(chǎng)方向)，你能作出哪些定性判斷或求得哪些定量結(jié)果?ABv0（1）因粒子帶負(fù)電且向下偏轉(zhuǎn)，故電場(chǎng)力方向向下，所以電場(chǎng)方向豎直向上。水平方向勻速運(yùn)動(dòng)，有： l sin =v0t 豎直方向做初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng)，有21cos2lat解得加速度：2022cossinval由qE=ma，得電場(chǎng)強(qiáng)度大小2022cossinmvmaEqql第25頁/共29頁2如圖所示，豎直平行直線為勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)線，電場(chǎng)方向未知，A，B是電場(chǎng)中的兩點(diǎn)，AB兩點(diǎn)的連線長為l且與電場(chǎng)線所夾的銳角為一個(gè)質(zhì)量為m，電荷量為q的帶電粒子以初速度v0。從A點(diǎn)垂直進(jìn)入電場(chǎng)，該帶電粒子恰好能經(jīng)過B點(diǎn)不考慮帶電粒子的重力大小(1)根據(jù)你學(xué)過的物理學(xué)規(guī)律和題中所給的信息，對(duì)反映電場(chǎng)本身性質(zhì)的物理量(例如電場(chǎng)方向)，你能作出哪些定性判斷或求得哪些定量結(jié)果?ABv0B B點(diǎn)的電勢(shì)高于點(diǎn)的電勢(shì)高于A A點(diǎn)的電勢(shì)點(diǎn)的電勢(shì), ,有有A A、B B兩點(diǎn)間的電勢(shì)差為：兩點(diǎn)間的電勢(shì)差為：22022202coscossin2cotABmvUElqmvq 第26頁/共29頁2如圖所示，豎直平行直線為勻強(qiáng)電場(chǎng)的電場(chǎng)線，電場(chǎng)方向未知，A，B是電場(chǎng)中的兩點(diǎn)，AB兩點(diǎn)的連線長為l且與電場(chǎng)線所夾的銳角為一個(gè)質(zhì)量為m，電荷量為q的帶電粒子以初速度v0。從A點(diǎn)垂直進(jìn)入電場(chǎng)，該帶電粒子恰好能經(jīng)過B點(diǎn)不考慮帶電粒子的重力大小(2)若僅知道帶電小球的電荷量q、初動(dòng)能k0以及AB兩點(diǎn)的連線與電場(chǎng)線所夾的銳角三個(gè)量，對(duì)反映電場(chǎng)本身性質(zhì)的物理量，你能求得哪些定量結(jié)果?ABv0（2）設(shè)初速度大小為v0，小球過B點(diǎn)豎直分速度為vy，瞬時(shí)速度為vB，水平和豎直位移分別為x和y，則有：y=vyt/2 x= v0t 而 y/x=cot 02cotyvv由動(dòng)能定理得：2222200021111()222212ABByyqUmvmvm vvmvmv所以A、B間的電勢(shì)差 024cotkABEUq 第27頁/共29頁3平行板間加如圖4（a）所示周期變化的電壓，重力不計(jì)的帶電粒子靜止在平行板中央，從t=0時(shí)刻開始將其釋放，運(yùn)動(dòng)過程無碰板情況。圖4（b）中，能定性描述粒子運(yùn)動(dòng)的速度圖象正確的是 ( )T/23T/2UU0-U0圖4(a)T2Tt0圖4（b)vt0vt0vt0vt0ABCDA第28頁/共29頁感謝您的觀看！第29頁/共29頁