
知識(shí)點(diǎn)二 帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)示波器1.帶電粒子的偏轉(zhuǎn).如圖所示,兩平行導(dǎo)體板水平放置,導(dǎo)體板長(zhǎng)度為l,板間距離為d,板間電壓為U,有一質(zhì)量為m、電量為q的帶電粒子以水平初速度大小v0進(jìn)入板間的勻強(qiáng)電場(chǎng).重力忽略不計(jì).帶電粒子垂直進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)類似物體的平拋運(yùn)動(dòng),因?yàn)閹щ娏W釉谒椒较蛏喜皇芰?,豎直方向上受到一個(gè)恒定不變的電場(chǎng)力,所以可以將它的運(yùn)動(dòng)看成是由水平方向上的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向上初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)合成的.
2.示波器.(1)構(gòu)造.示波器的核心部件是示波管,它主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成.(2)基本原理.帶電粒子在電場(chǎng)力的作用下加速和偏轉(zhuǎn).
2.真空中有一束電子流,以速度v沿著跟電場(chǎng)強(qiáng)度垂直的方向自O(shè)點(diǎn)進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng),如圖所示,若以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn),x軸垂直于電場(chǎng)方向,y軸平行于電場(chǎng)方向建立坐標(biāo)系,在x軸上取OA=AB=BC,分別自A、B、C點(diǎn)作與y軸平行的線跟電子流的徑跡交于M、N、P三點(diǎn),那么:(1)電子流經(jīng)M、N、P三點(diǎn)時(shí),沿x軸方向的分速度之比為 .(2)沿y軸的分速度之比為_(kāi)________________________________.(3)電子流經(jīng)過(guò)OM、MN、NP的動(dòng)能增量之比為 .
解析:(1)水平方向做勻速運(yùn)動(dòng),沿x軸方向的分速度之比為1∶1∶1.(2)由水平方向的分運(yùn)動(dòng),可得OA、AB、BC三段時(shí)間相等,粒子在豎直方向做勻加速運(yùn)動(dòng),由v=at,可得vyM∶vyN∶vyP=1∶2∶3.
(3)粒子在豎直方向做勻加速運(yùn)動(dòng),在相等時(shí)間的位移比yAM∶yBN∶yCP=1∶3∶5,由動(dòng)能定理Eqy=ΔEk,電子流經(jīng)過(guò)OM、MN、NP的動(dòng)能增量之比為1∶3∶5.
答案:(1)1∶1∶1?。?)1∶2∶3?。?)1∶3∶5
探究一 帶電粒子在電場(chǎng)中的加速問(wèn)題1.關(guān)于帶電粒子在電場(chǎng)中的重力.(1)基本粒子如電子、質(zhì)子、α粒子、離子等,除有說(shuō)明或有明確的暗示以外,此類粒子一般不考慮重力(但并不忽略質(zhì)量).(2)帶電微粒如液滴、油滴、塵埃、小球等,除有說(shuō)明或有明確的暗示以外,一般都不能忽略重力.2.處理問(wèn)題的方法和思路.(1)分析方法和力學(xué)的分析方法基本相同:先分析受力情況,再分析運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程(平衡、加速、減速;直線還是曲線),然后選用恰當(dāng)?shù)囊?guī)律解題.
(2)解決這類問(wèn)題的基本思路.①運(yùn)動(dòng)和力的觀點(diǎn):用牛頓定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)求解.②能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn):用動(dòng)能定理和功能關(guān)系求解.3.應(yīng)用動(dòng)能定理處理這類問(wèn)題的思路(粒子只受電場(chǎng)力).
【典例1】 醫(yī)學(xué)上對(duì)某些癌癥采用質(zhì)子療法治療,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(lái)加速質(zhì)子,使其從靜止開(kāi)始被加速到1.0×107 m/s.已知加速電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為1.3×105 N/C,質(zhì)子的質(zhì)量為1.67×10-27 kg,電荷量為1.6×10-19C,則下列說(shuō)法正確的是( )A.加速過(guò)程中質(zhì)子電勢(shì)能增加B.質(zhì)子所受到的電場(chǎng)力約為2×10-15 NC.質(zhì)子加速需要的時(shí)間約為8×10-6 sD.加速器加速的直線長(zhǎng)度約為4 m
解決帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的思路帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是力學(xué)問(wèn)題的延續(xù),從受力角度看,帶電粒子在電場(chǎng)中與一般物體相比多受到一個(gè)電場(chǎng)力;從處理方法上看,仍可利用力學(xué)中的規(guī)律分析,如共點(diǎn)力平衡條件、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)能定理、功能關(guān)系、能量守恒等.(1)對(duì)帶電粒子進(jìn)行受力分析、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分析、做功情況分析,是解題的關(guān)鍵.(2)選擇解題方法時(shí),優(yōu)先從功能關(guān)系角度考慮,因?yàn)閼?yīng)用功能關(guān)系列式簡(jiǎn)單、方便,不易出錯(cuò).
1.如圖所示,在P板附近有一電子由靜止開(kāi)始向Q板運(yùn)動(dòng),則關(guān)于電子到達(dá)Q板時(shí)的速度,下列說(shuō)法正確的是( ?。〢.兩板間距離越大,加速的時(shí)間就越長(zhǎng),獲得的速率就越大B.兩板間距離越小,加速度就越大,獲得的速度就越大C.與兩板間距離無(wú)關(guān),僅與加速電壓有關(guān)D.以上說(shuō)法均不正確
探究二 帶電粒子在電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問(wèn)題1.類平拋運(yùn)動(dòng).
不計(jì)重力的帶電粒子以速度v0垂直于電場(chǎng)線的方向射入勻強(qiáng)電場(chǎng),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).
(4)若以相同的初動(dòng)能Ek0進(jìn)入同一個(gè)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng),只要q相同,不論m是否相同,則偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角θ相同.(5)不同的帶電粒子經(jīng)同一加速電場(chǎng)加速后(即加速電壓U1相同),進(jìn)入同一偏轉(zhuǎn)電場(chǎng),則偏轉(zhuǎn)距離y和偏轉(zhuǎn)角θ相同.
【典例2】 如圖所示,噴墨打印機(jī)中的墨滴在進(jìn)入偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)之前會(huì)被帶上一定量的電荷,在電場(chǎng)的作用下使電荷發(fā)生偏轉(zhuǎn)到達(dá)紙上.已知兩偏轉(zhuǎn)極板長(zhǎng)度L=1.5×10-2 m,兩極板間電場(chǎng)強(qiáng)度E=1.2×106 N/C,墨滴的質(zhì)量m=1.0×10-13 kg,電荷量q=1.0×10-16 C,墨滴在進(jìn)入電場(chǎng)前的速度v0=15 m/s,方向與兩極板平行.不計(jì)空氣阻力和墨滴重力,假設(shè)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)只局限在平行極板內(nèi)部,忽略邊緣電場(chǎng)的影響.則:
(1)判斷墨滴帶正電荷還是負(fù)電荷?(2)求墨滴在兩極板之間運(yùn)動(dòng)的時(shí)間.(3)求墨滴離開(kāi)電場(chǎng)時(shí)在豎直方向上的位移y.
分析帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)問(wèn)題的關(guān)鍵(1)條件分析:不計(jì)重力,且?guī)щ娏W拥某跛俣葀0與電場(chǎng)方向垂直,則帶電粒子將在電場(chǎng)中只受電場(chǎng)力作用而做類平拋運(yùn)動(dòng).(2)運(yùn)動(dòng)分析:一般用分解的思想來(lái)處理,即將帶電粒子的運(yùn)動(dòng)分解為沿電場(chǎng)力方向的勻加速直線運(yùn)動(dòng)和垂直電場(chǎng)力方向的勻速直線運(yùn)動(dòng).
3.如圖,噴霧器可以噴出各種質(zhì)量和電荷量的帶負(fù)電油滴.假設(shè)油滴以相同的水平速度射入接有恒定電壓的兩水平正對(duì)金屬板之間,有的沿水平直線①飛出,有的沿曲線②從板邊緣飛出,有的沿曲線③運(yùn)動(dòng)到板的中點(diǎn)上.不計(jì)空氣阻力及油滴間的相互作用,則( )
A.沿直線①運(yùn)動(dòng)的所有油滴質(zhì)量都相等B.沿直線①運(yùn)動(dòng)的所有油滴電荷量都相等C.沿曲線②、③運(yùn)動(dòng)的油滴,運(yùn)動(dòng)時(shí)間之比為1∶2D.沿曲線②、③運(yùn)動(dòng)的油滴,加速度大小之比為1∶4
探究三 示波管的原理示波器工作原理
1.發(fā)射電子:燈絲通電后給陰極加熱,使陰極發(fā)射電子.2.形成亮斑:電子經(jīng)過(guò)陽(yáng)極和陰極間的電場(chǎng)加速聚焦后形成一很細(xì)的電子束射出,電子打在熒光屏上形成一個(gè)小亮斑.3.控制位置:亮斑在熒光屏上的位置可以通過(guò)調(diào)節(jié)豎直偏轉(zhuǎn)極與水平偏轉(zhuǎn)極上的電壓大小來(lái)控制.
【典例3】 如圖所示為一真空示波管的示意圖,電子從燈絲K發(fā)出(初速度可忽略不計(jì)),經(jīng)燈絲與A板間的電壓U1加速,從A板中心孔沿中心線KO射出,然后進(jìn)入兩塊平行金屬板M、N形成的偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中(偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)可視為勻強(qiáng)電場(chǎng)),電子進(jìn)入M、N間電場(chǎng)時(shí)的速度與電場(chǎng)方向垂直,電子經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)后打在熒光屏上的P點(diǎn).已知M、N兩板間的電壓為U2,兩板間的距離為d,板長(zhǎng)為l,電子的質(zhì)量為m,電荷量為e,不計(jì)電子受到的重力及它們之間的相互作用力.
(1)求電子穿過(guò)A板時(shí)速度的大??;(2)求電子從偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)射出時(shí)的偏移量;(3)若要使電子打在熒光屏上P點(diǎn)的上方,可采取哪些措施?
解決此題的關(guān)鍵是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析,本題中粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段,我們可以針對(duì)每一個(gè)過(guò)程選擇合適的物理學(xué)規(guī)律求解:(1)在第一個(gè)電場(chǎng)中粒子做加速運(yùn)動(dòng),用動(dòng)能定理求解.(2)在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)中粒子做類平拋運(yùn)動(dòng),用運(yùn)動(dòng)的分解求解.(3)離開(kāi)偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)后粒子做勻速直線運(yùn)動(dòng),用運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律求解.
4.如圖甲所示為示波管構(gòu)造的示意圖,實(shí)驗(yàn)學(xué)校高二的某探究小組在XX′間加上了圖乙所示的UXX′-t信號(hào),YY′間加上了圖丙所示的UYY′-t信號(hào).則在屏幕上看到的圖形是( ?。?br/>解析:因題圖丙是豎直方向所加的掃描電壓,可使電子在豎直方向運(yùn)動(dòng),所以示波管顯像在y軸;當(dāng)加題圖乙的信號(hào)時(shí),則熒光屏上顯示的波形與水平方向的電壓波形相同,其周期與圖乙的周期相同,所以圖像為選項(xiàng)C中所示,故C正確,A、B、D錯(cuò)誤.故選C.
探究四 帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的四種題型題型一 帶電體在電場(chǎng)中(重力、靜電力作用下)的直線運(yùn)動(dòng)討論帶電粒子在電場(chǎng)中做直線運(yùn)動(dòng)(加速或減速)的方法:(1)動(dòng)力學(xué)方法——牛頓運(yùn)動(dòng)定律、勻變速直線運(yùn)動(dòng)公式.當(dāng)帶電粒子所受合力為恒力,且與速度方向共線時(shí),粒子做勻變速直線運(yùn)動(dòng).根據(jù)題意和所求,尤其是求時(shí)間問(wèn)題時(shí),優(yōu)先考慮牛頓運(yùn)動(dòng)定律、勻變速直線運(yùn)動(dòng)公式.若為較復(fù)雜的勻變速直線運(yùn)動(dòng),亦可以分解為重力方向上、靜電力方向上的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)處理.
(2)功、能量方法——?jiǎng)幽芏ɡ怼⒛芰渴睾愣?若題中已知和所求量涉及功和能量、那么應(yīng)優(yōu)先考慮動(dòng)能定理、能量守恒定律.
【典例4】 如圖所示,水平放置的A、B兩平行板相距h,上板A帶正電,現(xiàn)有質(zhì)量為m,帶電荷量為+q的小球在B板下方距離B板H處,以初速度v0豎直向上運(yùn)動(dòng),從B板小孔進(jìn)入板間電場(chǎng).(1)帶電小球在板間做何種運(yùn)動(dòng)?(2)欲使小球剛好打到A板,A、B間電勢(shì)差為多少?
解析:(1)帶電小球在電場(chǎng)外只受重力的作用做勻速減速直線運(yùn)動(dòng),在電場(chǎng)中受重力和豎直向下的靜電力作用做勻減速直線運(yùn)動(dòng).
題型二 帶電體在重力、靜電力作用下的類平拋運(yùn)動(dòng)分析帶電體在重力、靜電力作用下的類平拋運(yùn)動(dòng)的方法:帶電體在重力、靜電力作用下做類平拋運(yùn)動(dòng),涉及帶電粒子在電場(chǎng)中加速和偏轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,利用運(yùn)動(dòng)的合成與分解把勻變速曲線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)研究,涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)公式、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)能定理、功能關(guān)系的綜合應(yīng)用.
【典例5】 兩平行金屬板A、B水平放置,一個(gè)質(zhì)量為m=5×10-6kg的帶電微粒,以v0=2 m/s的水平速度從兩板正中央位置射入電場(chǎng),如圖所示,A、B兩板間距離為d=4 cm,板長(zhǎng)l=10 cm,g取10 m/s2.(1)當(dāng)A、B間的電壓為UAB=1 000 V時(shí),微粒恰好不偏轉(zhuǎn),沿圖中虛線射出電場(chǎng),求該粒子的電荷量和電性;(2)令B板接地,欲使該微粒射出偏轉(zhuǎn)電場(chǎng),求A板所加電勢(shì)的范圍.
題型三 帶電粒子在交變電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)帶電粒子在交變電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的分析方法:1.分段分析:按照時(shí)間的先后,分階段分析粒子在不同電場(chǎng)中的受力情況和運(yùn)動(dòng)情況,然后選擇牛頓運(yùn)動(dòng)定律、運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律或功能關(guān)系求解相關(guān)問(wèn)題圖像輔助:帶電粒子在交變電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況一般比較復(fù)雜,常規(guī)的分段分析很麻煩.較好的方法是分段分析粒子受力的情況下,畫出粒子的v-t圖像.畫圖時(shí),注意加速度相同的運(yùn)動(dòng)圖像是平行的直線,圖像與坐標(biāo)軸所圍圖形的面積表示位移,圖像與t軸的交點(diǎn)表示此時(shí)速度方向改變等.3.運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性和周期性:帶電粒子在周期性變化的電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),粒子的運(yùn)動(dòng)一般具有對(duì)稱性和周期性.
【典例6】?。ǘ噙x)帶正電的微粒放在電場(chǎng)中,電場(chǎng)強(qiáng)度的大小和方向隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖所示.帶電微粒只在靜電力的作用下由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng),則下列說(shuō)法中正確的是( )A.微粒在0~1 s內(nèi)的加速度與1~2 s內(nèi)的加速度相同B.微粒將沿著一條直線運(yùn)動(dòng)C.微粒做往復(fù)運(yùn)動(dòng)D.微粒在第1 s內(nèi)的位移與第3 s內(nèi)的位移相同
解析:設(shè)粒子的速度方向、位移方向向右為正,作出粒子的v-t圖像如圖所示.由圖可知選項(xiàng)B、D正確.
2.物理最高點(diǎn)與幾何最高點(diǎn).在“等效力場(chǎng)”中做圓周運(yùn)動(dòng)的小球,經(jīng)常遇到小球在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)的臨界速度問(wèn)題.小球能維持圓周運(yùn)動(dòng)的條件是能過(guò)最高點(diǎn),而這里的最高點(diǎn)不一定是幾何最高點(diǎn),而應(yīng)是物理最高點(diǎn).幾何最高點(diǎn)是圖形中所畫圓的最上端,是符合人眼視覺(jué)習(xí)慣的最高點(diǎn).而物理最高點(diǎn)是物體在圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度最?。ǚQ為臨界速度)的點(diǎn).
【典例7】 如圖所示,在豎直平面內(nèi)固定的圓形絕緣軌道的圓心為O、半徑為r、內(nèi)壁光滑,A、B兩點(diǎn)分別是圓軌道的最低點(diǎn)和最高點(diǎn).該區(qū)間存在方向水平向右的勻強(qiáng)電場(chǎng),一質(zhì)量為m的帶電小球(可視為質(zhì)點(diǎn))恰好能靜止在C點(diǎn).若在C點(diǎn)給小球一個(gè)初速度使它在軌道內(nèi)側(cè)恰好能做完整的圓周運(yùn)動(dòng)(小球的電荷量不變).已知C、O、D在同一直線上,它們的連線與豎直方向的夾角θ=60°,重力加速度為g.求:
(1)小球所受的電場(chǎng)力F的大小;(2)小球做圓周運(yùn)動(dòng),在D點(diǎn)的速度大小及在A點(diǎn)對(duì)軌道壓力的大小.
解析:(1)小球在C點(diǎn)靜止,受力分析如圖所示.
5.如圖(a)所示,兩平行正對(duì)的金屬板A、B間加有如圖(b)所示的交變電壓,一重力可忽略不計(jì)的帶正電粒子被固定在兩板的正中間P處.若在t0時(shí)刻釋放該粒子,粒子會(huì)時(shí)而向A板運(yùn)動(dòng),時(shí)而向B板運(yùn)動(dòng),并最終打在A板上.則t0可能屬于的時(shí)間段是( )
6.(多選)如圖甲所示,平行板相距為d,在兩金屬板間加一如圖乙所示的交變電壓,有一個(gè)粒子源在平行板左邊界中點(diǎn)處沿垂直電場(chǎng)方向連續(xù)發(fā)射速度相同的帶正電粒子(不計(jì)重力).t=0時(shí)刻進(jìn)入電場(chǎng)的粒子恰好在t=T時(shí)刻到達(dá)B板右邊緣,則( ?。?br/>7.如圖所示,勻強(qiáng)電場(chǎng)中相鄰豎直等勢(shì)線間距d=10 cm,質(zhì)量m=0.1 kg、帶電荷量為q=-1×10-3 C的小球以初速度v0=10 m/s拋出,初速度方向與水平線的夾角為45°,重力加速度g取10 m/s2,求:(1)小球加速度的大小;(2)小球再次回到圖中水平線時(shí)的速度大小和距拋出點(diǎn)的距離.
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